5.8 Czy wiesz, że większość opadów pochodzi z koalescencji?
5.8 Czy wiesz, że większość opadów pochodzi z koalescencji?
istnieją dwa rodzaje procesów wzrostu w krople opadów: procesy ciepłych chmur i procesy zimnych chmur. W ciepłych chmurach wszystkie procesy obejmują tylko krople cieczy. W zimnych chmurach procesy mogą obejmować tylko cząstki stałe, a także fazy mieszane (zarówno przechłodzoną ciecz, jak i lód). Niektóre z najważniejszych procesów obejmują kolizje między kroplami, niezależnie od tego, czy są płynne, czy stałe.
kolizje
kolizje występują zarówno w zimnych, jak i ciepłych chmurach i mogą obejmować krople cieczy lub cząstki stałe lub oba.
- koalescencja: duża kropla cieczy usuwa mniejsze krople cieczy, gdy spada.
- rycie: spadający lód zbiera ciekłą wodę, która zamarza na jego powierzchni.
- Przechwytywanie zarodkowania: duża kropla cieczy wychwytuje małą cząsteczkę lodu, która działa jak jądro lodu i powoduje zamrożenie dużej kropli. Cząstka, która jest zbierana może być albo jądrem lodowym (w) lub kawałkiem lodu, który również jest dobrym jądrem lodowym. W obu przypadkach przechłodzona kropla cieczy zamarza w kontakcie z IN.
- agregacja: spadający Płatek śniegu zbiera inne płatki śniegu, które gromadzą się, tworząc większy pakiet płatków śniegu.
dla kropli chmur w spoczynku grawitacja jest jedyną siłą zewnętrzną. Gdy chmura zaczyna spadać, opór powietrza tworzy kolejną siłę zwaną przeciągiem, która jest funkcją prędkości.
w mniej niż sekundę cząstka osiąga prędkość opadania taką, że siła oporu dokładnie równoważy siłę grawitacji, a prędkość staje się stała. Prędkość ta nazywana jest prędkością końcową. Ponieważ siła grawitacji zależy od objętości kropli, to idzie jak sześcian promienia kropli. W przeciwieństwie do tego, przeciągnij działa na powierzchni spadku, a więc zależy od obszaru spadku i idzie jako kwadrat promienia spadku (razy prędkość). Ustawiając siły grawitacji i oporu równe innym, a następnie rozwiązując prędkość terminala, łatwo jest pokazać, że prędkość terminala powinna różnić się liniowo w zależności od promienia spadku. Pomiary pokazują tę zależność liniową. Na przykład prędkość końcowa kropli o promieniu 50 µm wynosi około 0,3 m s–1, podczas gdy prędkość końcowa kropli 10 razy większej (promień 500 µm) wynosi około 4 m s–1, co zwiększa się o nieco więcej niż współczynnik 10.
wzrost kropli chmury w kroplę opadów w wyniku zderzenia-koalescencji jest podany równaniem:
q M l DT =powierzchnia выметается⋅skuteczność zbierania⋅prędkości różnica⋅płynu, zawartość wody w e M L C = G ⋅ E ⋅( V, L, W, Z )⋅ЛМБ e M l DT =π ( P L + P ) 2 ⋅ e ⋅( V, L, W, Z )⋅ЛМБ to równanie nie działa prawidłowo z powodu niekompatybilności przeglądarki internetowej. Lista kompatybilnych przeglądarek znajduje się w sekcji Wymagania techniczne w orientacji.
- mL jest masą spadającej dużej kropli,
- Ag jest geometrycznym obszarem przekroju, dla którego możliwe są kolizje między spadającą dużą kroplą a wieloma kroplami poniżej,
- Ec jest efektywnością koalescencji (tj., wydajność zbierania), która jest ułamkiem rzeczywistej powierzchni przekroju, która jest wymyta w porównaniu do powierzchni przekroju, która jest geometrycznie możliwa (mniejsze krople mogą podążać za liniami strumienia powietrza i okrążać duży spadek) (patrz rysunek poniżej),
- vL to prędkość dużego spadku, a vs to prędkość mniejszych, wolniejszych spadających kropli poniżej,
- i LWC to zawartość ciekłej wody.
poniższy rysunek zapewnia dobry koncepcyjny obraz koalescencji. Kropla kolektora musi spadać szybciej niż Mniejsza zebrana kropla, aby oba mogły się zderzyć. Gdy powietrze opływa się wokół kropli, przenoszą one mniejsze krople wokół kropli, a efektywny obszar przekroju staje się mniejszy niż rzeczywisty obszar przekroju, który jest po prostu obszarem przekroju dysku o promieniu, który jest sumą promieni dużego spadku kolektora i mniejszych zebranych kropli. Gdy krople stają się większe, mają zbyt dużą bezwładność, aby podążać za liniami powietrza, co zwiększa prawdopodobieństwo kolizji.
Ec jest małe dla kropli 10 µm, więc w losowym procesie niektóre krople stają się większe od innych i zaczynają zbierać mniejsze krople (patrz rysunek poniżej). Ec wzrasta wraz ze wzrostem promienia spadającej kropli. Gdy większa spadająca kropla uzyskuje promień większy niż 100 µm, jej skuteczność koalescencji jest bardzo dobra dla wszystkich mniejszych kropli do rozmiarów około 10-20 µm.
gdy kropla zbierająca osiągnie promień kilkuset µm, spada szybko (vL > > vs), a jej skuteczność koalescencji jest bliska 100%. Teraz wykonaj następujące kroki, aby przepisać równanie 5.16: (1) Ec równe 1, (2) vL >> vs, (3) VL = stała x rL, (4) mL = 4plnrl3/3 i (5) rozwiąż drL/dt. Po wykonaniu tych kroków możesz pokazać, że drL / dt jest proporcjonalny do rL. Oznacza to, że im większa kropla, tym szybciej rośnie. Oddzielenie zmiennych (rL i t) i integracja z rL = 0 przy T = 0 do dowolnych wartości rL i t ujawnia, że RL rośnie wykładniczo w czasie:
r d ∝exp(czas) to równanie nie jest poprawnie renderowane z powodu niekompatybilnej przeglądarki. Lista kompatybilnych przeglądarek znajduje się w sekcji Wymagania techniczne w orientacji.
ze stałą proporcjonalności między prędkością końcową a promieniem spadku ustawioną na 0.8 x 10-3 s-1 i LWC = 1 G M-3, można wykazać, że kropla może wzrosnąć od 50 µm do 1000 µm przez koalescencję w zaledwie 25 minut. Tak więc aktywne krople chmur rosną do 10-20 µm przez powolny wzrost osadzania się pary (pierwiastek kwadratowy czasu). Następnie, gdy koalescencja–koalescencja zaczyna się i wytwarza kilka dużych kropli, mogą one rosnąć wykładniczo z czasem.
mniejsze krople są zazwyczaj kuliste. Gdy te krople znajdują się powyżej mm w promieniu, stają się coraz bardziej zniekształcone, ze spłaszczonym dnem z powodu siły przeciągania i wyglądają trochę jak górna połowa bułki hamburgerowej. Mogą być dalej zniekształcone, tak że środek kształtu bułki zostaje wypchnięty przez siły oporu, tak że kropla przybiera kształt przypominający odwróconą miseczkę.
w końcu krople rozpadają się, albo stając się wystarczająco cienkie w środku, że rozpadają się na kawałki, albo zderzając się z innymi kroplami tak mocno, że włókna lub arkusze cieczy rozrywają się, tworząc inne krople. Procesy te tworzą całą gamę rozmiarów kropli. W ten sposób deszcz składa się z kropli, które mają szerokie spektrum rozmiarów. Poniższy film (2:50) zatytułowany “How Raindrops are formated” zaczyna się od uproszczonego widoku obiegu wody w atmosferze, ale następnie pokazuje przykłady spadającej kropli, koalescencji i rozpadu chmury.
teraz to jest znajoma scena. Ciepło słońca powoduje, że woda z roślin, jezior i oceanów zmienia się z cieczy w parę. Wysoko w atmosferze para wodna następnie ochładza się i skrapla z gazu z powrotem do cieczy. Płynna woda następnie opada z powrotem na powierzchnię w postaci deszczu, śniegu, lodu lub gradu. Woda spływa do strumieni jezior i oceanów lub jest przechowywana w ziemi lub na ścieżce śnieżnej. To jest cykl wodny, który opisuje nasze najważniejsze zasoby poruszające się przez cały system ziemski, ale jak większość rzeczy w naszym świecie, gdy spojrzymy na małe części, które tworzą całość, możemy dowiedzieć się o wiele więcej o tym zjawisku. Przybrać kształt pojedynczej kropli deszczu. Małe krople wody w atmosferze mają kulisty kształt ze względu na napięcie powierzchniowe lub skórę cząsteczek wody. Gdy te krople rosną, stają się cięższe i zaczynają spadać w powietrzu. Gdy spadają, kropla deszczu zderza się z innymi kroplami i nadal się powiększa. Te większe krople deszczu spadają w powietrzu szybciej opór wiatru Na spodzie kropli powoduje, że dno kropli spłaszcza się, co powoduje, że kropla wygląda jak bułka hamburgerowa. Gdy kropla nadal spada i rośnie w pewnym momencie staje się zbyt duża, aby napięcie powierzchniowe utrzymywało ją razem, więc kropla deszczu rozpada się na mniejsze krople spiralne. Badanie procesów, których nie widzimy gołym okiem, nie jest niczym nowym. Nauka i technologia napędzają się nawzajem i często prowadzą do spostrzeżeń i odkryć po drodze. Wraz z wynalezieniem szybkiej fotografii w końcu zobaczyliśmy w akcji najbardziej podstawowe elementy naszej wodnistej planety. Zrozumienie, jak kropla deszczu spada przez atmosferę, nie tylko obala mit, że kropla deszczu spada jak łza. To naprawdę robi różnicę, jeśli chodzi o pomiar opadów, w szczególności dla radarów naziemnych. Radary naziemne patrzą na boki kropli deszczu, a następnie oceniają pionowe i poziome westchnienia. Cięższy, bardziej płaski spadek pozwala radarom zidentyfikować cięższe opady. W rzeczywistości dwa radary na pokładzie satelity GPM mogą również mierzyć wielkość kropli z kosmosu, więc dokładniejsze spojrzenie na krople deszczu daje nam dokładniejsze spojrzenie na to, jak kształtują się globalne opady deszczu.
w przypadku ripowania, przechwytywania zarodkowania i agregacji istnieją podobne równania z terminami podobnymi do tych w równaniu 5.16—obszar wyparty, wydajność zbierania, prędkość względna i stężenie masy cieczy lub ciała stałego mniejszych kropli lub lodu. Są one zazwyczaj nieco bardziej skomplikowane, jeśli lód nie jest kulisty, ale pojęcia są takie same. Te procesy koalescencji lodu są w stanie wytworzyć cząstki lodu wystarczająco duże, aby spaść, a jeśli cząstki te rozgrzewają się podczas przechodzenia przez ciepłą część chmury, mogą przekształcić się w płynny deszcz. Znaczna część deszczu latem może pochodzić z procesów koalescencji lodu powyżej linii zamarzania w chmurach.
