5.8 wist u dat de meeste neerslag komt van botsingen-coalescentie?
5.8 wist u dat de meeste neerslag komt van botsingen-coalescentie?
er zijn twee soorten processen om te groeien tot neerslagdruppels: processen met warme wolken en processen met koude wolken. In warme wolken hebben de processen alleen betrekking op vloeibare druppels. In koude wolken kunnen de processen alleen vaste deeltjes omvatten, evenals gemengde fasen (zowel onderkoelde vloeistof als ijs). Enkele van de belangrijkste processen zijn botsingen tussen druppels, of ze nu vloeibaar of vast zijn.
botsingen
botsingen komen voor in zowel koude als warme wolken en kunnen zowel vloeibare druppels als vaste deeltjes bevatten.
- botsing-coalescentie: Grote vloeistofdruppels vangen kleinere vloeistofdruppels op als ze vallen.
- Rimming: vallend ijs verzamelt vloeibaar water, dat op het oppervlak bevriest.
- Capture Nucleation: Large liquid drop vangt klein ijsdeeltje, dat fungeert als een ijskern en zorgt ervoor dat de grote druppel bevriest. Het deeltje dat wordt verzameld kan ofwel een ijskern (IN) of een stuk ijs, die ook een goede ijskern. In beide gevallen bevriest de onderkoelde vloeibare druppel bij contact met de IN.
- Aggregatie: vallende sneeuwvlokken verzamelen andere sneeuwvlokken die samen een grotere sneeuwvlokbundel vormen.
voor een wolkendruppel in rust is zwaartekracht de enige externe kracht. Zodra de wolk begint te vallen, dan vormt de luchtweerstand een andere kracht genaamd drag, die een functie is van de snelheid.
in minder dan een seconde bereikt het deeltje een valsnelheid zodanig dat de trekkracht de gravitatiekracht precies in evenwicht brengt en de snelheid constant wordt. Deze snelheid wordt de terminale snelheid genoemd. Omdat de zwaartekracht afhangt van het volume van de druppel, gaat het als de kubus van de straal van de druppel. In tegenstelling, Sleep werkt op het oppervlak van de druppel, en dus hangt het af van het drop gebied en gaat als het kwadraat van de drop radius (keer de snelheid). Het instellen van de zwaartekracht en de trekkrachten gelijk aan andere en vervolgens oplossen voor de eindsnelheid, is het gemakkelijk om aan te tonen dat de eindsnelheid lineair moet variëren met de valstraal. Metingen bevestigen deze lineaire relatie. Bijvoorbeeld, de eindsnelheid van een straal van 50 µm is ongeveer 0,3 m s-1, terwijl de eindsnelheid voor een daling 10 keer groter (straal van 500 µm) is ongeveer 4 m s–1, die net iets meer dan een factor-van-10 toename.
de groei van een wolk daling in een neerslag daling door botsing-coalescentie wordt gegeven door de vergelijking:
d m L dt =Gebied geveegd⋅efficiëntie van de collectie⋅snelheid verschil⋅vloeibaar water inhoud 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 Deze vergelijking is niet te renderen goed gevolg zijn van een incompatibele browser. Zie Technische vereisten in de oriëntatie voor een lijst met compatibele browsers.
- mL is de massa van de grote druppel die valt,
- Ag is het geometrische dwarsdoorsnede gebied waarvoor botsingen tussen de vallende grote druppel en de vele druppels hieronder mogelijk zijn,
- Ec is de botsing-coalescentie efficiëntie (d.w.z., a collection efficiency), dat is de fractie van de werkelijke dwarsdoorsnede die wordt weggevaagd in vergelijking met de dwarsdoorsnede die geometrisch mogelijk is (kleinere druppels kunnen de luchtstroomlijnen volgen en rond de grote druppel gaan) (zie onderstaande figuur),
- vL is de snelheid van de grote druppel en vs is de snelheid van de kleinere, langzamere vallende druppels hieronder,
- en LWC is het vloeistofwatergehalte.
onderstaande figuur geeft een goed conceptueel beeld van botsing–coalescentie. De collectordruppel moet sneller vallen dan de kleinere verzamelde druppel, zodat de twee van hen kunnen botsen. Als de lucht stroomlijnt buigen rond de druppel, ze dragen de kleinere druppels met hen rond de druppel, en de effectieve dwarsdoorsnede gebied wordt kleiner dan de werkelijke dwarsdoorsnede gebied, dat is gewoon de dwarsdoorsnede gebied van een schijf met een straal die de som van de stralen van de grote collector drop en de kleinere verzamelde druppels. Als druppels groter worden, hebben ze te veel inertie om de luchtstroomlijnen te volgen, waardoor de botsing waarschijnlijker wordt.
Ec is klein voor 10 µm druppels, dus door een willekeurig proces, worden sommige druppels groter dan andere en beginnen kleinere druppels te verzamelen (zie figuur hieronder). Ec neemt toe naarmate de straal van de vallende druppel toeneemt. Wanneer de grotere vallende druppel een straal van meer dan 100 µm bereikt, is de efficiëntie van de botsing–coalescentie zeer goed voor alle kleinere druppels tot een grootte van ongeveer 10-20 µm.
zodra een verzameldruppel een straal van een paar honderd µm heeft bereikt, valt deze snel (vL >> vs) en de efficiëntie van de botsing–coalescentie is bijna 100%. Neem nu de volgende stappen om Vergelijking 5.16 te herschrijven: (1) Ec gelijk aan 1, (2) vL >> vs, (3) vL = constant x rL, (4) mL = 4plnrL3/3 , en (5) oplossen voor drL/dt. Zodra u deze stappen neemt, kunt u aantonen dat drL / dt proportioneel is aan rL. Dat wil zeggen, hoe groter de druppel wordt hoe sneller het groeit. Het scheiden van variabelen (rL en t) en integreren van rL = 0 bij t = 0 tot willekeurige waarden van rL en t laat zien dat rL exponentieel toeneemt met de tijd:
r d exp exp(time) deze vergelijking wordt niet goed weergegeven door een incompatibele browser. Zie Technische vereisten in de oriëntatie voor een lijst met compatibele browsers.
met de proportionaliteitsconstante tussen de eindsnelheid en de valstraal ingesteld op 0.8 x 10-3 s-1 en LWC = 1 g m-3, kan worden aangetoond dat een druppel kan groeien van 50 µm tot 1000 µm door botsing–coalescentie in slechts 25 minuten. Dus, de geactiveerde wolkendruppels groeien tot 10-20 µm door de langzame groei van dampdepositie (vierkantswortel van de tijd). Dan wanneer botsing–coalescentie begint en een paar grote druppels produceert, kunnen ze exponentieel groeien met de tijd.
kleinere druppels zijn meestal bolvormig. Zodra deze druppels worden boven Een mm in radius, worden ze steeds meer vervormd, met een afgeplatte bodem als gevolg van sleepkrachten, en ze lijken een beetje op de bovenste helft van een hamburger broodje. Ze kunnen verder worden vervormd, zodat het midden van de knot-vorm omhoog wordt geduwd door de sleepkrachten, zodat de druppel een vorm krijgt die lijkt op een omgekeerde kom.
uiteindelijk breken de druppels uiteen, hetzij door in het midden zo dun te worden dat ze in stukken breken, hetzij door zo hard op andere druppels te botsen dat filamenten of vloeibare vellen afbreken om andere druppels te vormen. Deze processen creëren een hele reeks van maten druppels. Regen bestaat dus uit druppels die een breed spectrum van maten hebben. De volgende video (2:50) getiteld “How Raindrops are Formed” begint met een vereenvoudigde weergave van de watercyclus van de atmosfeer, maar toont dan voorbeelden van een vallende druppel, botsing–coalescentie, en cloud-drop uiteenvallen.
Dit is een bekende scène. De hitte van de zon zorgt ervoor dat water van planten, meren en oceanen verandert van een vloeistof in een damp. Hoog in de atmosfeer koelt de waterdamp af en condenseert van een gas terug in een vloeistof. Het vloeibare water valt dan terug naar het oppervlak in de vorm van regen, sneeuw, ijs of hagel. Water loopt af in beken meren en oceanen of wordt opgeslagen in de grond of in sneeuw pad. Dit is de watercyclus en het beschrijft onze meest vitale hulpbron beweegt door het hele aarde systeem, maar zoals de meeste dingen in onze wereld als we kijken naar de kleine delen die deel uitmaken van het geheel kunnen we veel meer te leren over het fenomeen. Neem de vorm van een enkele regendruppel. Kleine druppels water in de atmosfeer zijn bolvormig vanwege de oppervlaktespanning of de huid van de watermoleculen. Als deze druppels groeien worden ze zwaarder en beginnen te vallen door de lucht. Als ze vallen, botst de regendruppel met andere druppels en blijft groter worden. Deze grotere regendruppels vallen sneller door de lucht de windweerstand aan de onderkant van de druppel zorgt ervoor dat de onderkant van de druppel plat wordt waardoor een druppel eruit ziet als een hamburgerbroodje. Als de druppel blijft vallen en groeien op een bepaald punt wordt het te groot voor de oppervlaktespanning om het samen te houden, dus de regendruppel breekt uit elkaar in kleinere spiracle druppels. Het onderzoeken van de processen die we niet met het blote oog kunnen zien is niets nieuws. Wetenschap en technologie drijven elkaar vooruit en leiden vaak tot inzichten en ontdekkingen. Met de uitvinding van high-speed fotografie zagen we eindelijk de meest elementaire elementen van onze waterige planeet in actie. Begrijpen hoe een kleine regendruppel door de atmosfeer valt, doet meer dan de mythe ontkrachten dat een regendruppel valt als een traan. Het maakt eigenlijk een verschil als het gaat om het meten van neerslag in het bijzonder voor grondradars. Grondradars kijken naar de zijkanten van de regendruppels en schatten dan de verticale en horizontale Zuchten. Een zwaardere, vlakkere druppel stelt radars in staat om zwaardere neerslag te identificeren. In feite kunnen de twee radars aan boord van de GPM-satelliet ook druppelgroottes vanuit de ruimte meten.een nauwkeuriger blik op regendruppels geeft ons een nauwkeuriger blik op hoe de wereldwijde regenval zich ontwikkelt.
voor riming, capture nucleation, en aggregatie, zijn er vergelijkbare vergelijkingen met termen vergelijkbaar met die in vergelijking 5.16-een gebied weggevaagd, een verzameling efficiëntie, de relatieve snelheid, en de vloeistof of vaste massa concentratie van de kleinere druppels of ijs. Deze zijn meestal wat ingewikkelder als het ijs niet bolvormig is, maar de concepten zijn hetzelfde. Deze ijsbotsing-coalescentieprocessen zijn in staat om ijsdeeltjes te produceren die groot genoeg zijn om te vallen, en als deze deeltjes warm zijn terwijl ze door het warme deel van de wolk gaan, kunnen ze veranderen in vloeibare regen. Een aanzienlijk deel van de regen in de zomer kan komen van ijs botsing–coalescentie processen boven de vrieslijn in de wolken.
