5.8 știați că cele mai multe precipitații provin din coliziune-coalescență?
5.8 știați că cele mai multe precipitații provin din coliziune–coalescență?
există două tipuri de procese pentru creșterea în picături de precipitații: procese de nor cald și procese de nor rece. În nori calzi, toate procesele implică doar picături de lichid. În norii reci, procesele pot implica numai particule solide, precum și faze mixte (atât lichid răcit, cât și gheață). Unele dintre cele mai importante procese implică coliziuni între picături, indiferent dacă sunt lichide sau solide.
coliziuni
coliziuni apar atât în nori reci, cât și în nori calzi și pot implica fie picături de lichid, fie particule solide sau ambele.
- coliziune–coalescență: picături mari de lichid elimină picături mai mici de lichid pe măsură ce cade.
- Riming: gheața care cade colectează apă lichidă, care îngheață pe suprafața sa.
- nucleația de captare: o picătură mare de lichid captează particule mici de gheață, care acționează ca un nucleu de gheață și determină înghețarea picăturii mari. Particula colectată poate fi fie un nucleu de gheață (în), fie o bucată de gheață, care este, de asemenea, un nucleu de gheață bun. În ambele cazuri, picătura de lichid supraîncălzită îngheață la contactul cu IN.
- agregare: căderea fulgului de zăpadă elimină alți fulgi de zăpadă care se agregă pentru a face un pachet mai mare de fulgi de zăpadă.
pentru o cădere de nor în repaus, gravitația este singura forță externă. Odată ce căderea norului începe să cadă, atunci rezistența aerului formează o altă forță numită tragere, care este o funcție a vitezei.
în mai puțin de o secundă, particula atinge o viteză de cădere astfel încât forța de tracțiune echilibrează exact forța gravitațională și viteza devine constantă. Această viteză se numește viteză terminală. Deoarece forța gravitațională depinde de volumul picăturii, ea merge ca cubul razei de cădere. În schimb, trageți acționează pe suprafața picăturii, deci depinde de zona de cădere și merge ca pătratul razei de cădere (ori viteza). Setând forțele gravitaționale și de tracțiune egale cu altele și apoi rezolvând viteza terminală, este ușor să arătăm că viteza terminală ar trebui să varieze liniar cu raza de cădere. Măsurătorile poartă această relație liniară. De exemplu, viteza terminală a unei scăderi a razei de 50 mm este de aproximativ 0,3 m s–1, în timp ce viteza terminală pentru o scădere de 10 ori mai mare (raza de 500 mm) este de aproximativ 4 m s-1, care crește doar puțin mai mult decât un factor de 10.
creșterea unei picături de nor într-o picătură de precipitații prin coliziune-coalescență este dată de ecuație:
d m L dt =Zona măturat⋅eficiența de colectare⋅diferență de viteză⋅conținutul de apă lichidă d m L dt = g ⋅ c ⋅( v L − v s )⋅LWC d m L dt =π ( r L + r s ) 2 ⋅ E c ⋅( v L − v s )⋅LWC Această ecuație nu este afișată corespunzător din cauza unei incompatibile browser-ul. Consultați cerințele tehnice din orientare pentru o listă de browsere compatibile.
- mL este masa picăturii mari care se încadrează,
- Ag este aria secțiunii transversale geometrice pentru care sunt posibile coliziuni între picătura mare care se încadrează și numeroasele picături de mai jos,
- Ec este eficiența coliziune-coalescență (adică., o eficiență de colectare), care este fracțiunea din aria secțiunii transversale reale care este măturată în comparație cu aria secțiunii transversale care este posibilă geometric (picături mai mici pot urma raționalizează aerul și du-te în jurul picăturii mari) (a se vedea figura de mai jos),
- vL este viteza picăturii mari și vs este viteza picăturilor mai mici, mai lente care cad sub,
- și LWC este conținutul de apă lichidă.
figura de mai jos oferă o imagine conceptuală bună a coliziunii–coalescență. Picătura colectorului trebuie să cadă mai repede decât picătura colectată mai mică, astfel încât cei doi să se poată ciocni. Pe măsură ce aerul se înclină în jurul picăturii, acestea poartă picăturile mai mici cu ele în jurul picăturii, iar aria secțiunii transversale efective devine mai mică decât aria secțiunii transversale reale, care este pur și simplu aria secțiunii transversale a unui disc cu o rază care este suma razelor picăturii colectorului mare și a picăturilor colectate mai mici. Pe măsură ce picăturile devin mai mari, ele au prea multă inerție pentru a urma fluxurile de aer, făcând astfel coliziunea mai probabilă.
Ec este mic pentru picături de 10 de metri cubi, astfel încât printr-un proces aleatoriu, unele picături devin mai mari decât altele și încep să colecteze picături mai mici (vezi figura de mai jos). Ce crește pe măsură ce raza picăturii care se încadrează crește. Atunci când căderea mai mare câștigă o rază de peste 100 de metri cubi, eficiența sa de coliziune–coalescență este foarte bună pentru toate picăturile mai mici până la dimensiuni de aproximativ 10-20 de metri cubi.
odată ce o picătură de colectare a atins o rază de câteva sute de centimetri, aceasta scade rapid (vL >> vs), iar eficiența sa de coliziune–coalescență este aproape de 100%. Acum faceți următorii pași pentru a rescrie ecuația 5.16: (1) Ce egal cu 1, (2) vL >> vs, (3) vL = constantă x rL, (4) mL = 4plnrl3/3 și (5) rezolvați pentru drL/dt. După ce faceți acești pași, puteți arăta că drL/dt este proporțional cu rL. Adică, cu cât picătura devine mai mare, cu atât crește mai repede. Separarea variabilelor (rL și t) și integrarea de la rL = 0 la t = 0 la valori arbitrare ale rL și t relevă faptul că rL crește exponențial cu timpul:
R D exp(time) această ecuație nu este randată corect din cauza unui browser incompatibil. Consultați cerințele tehnice din orientare pentru o listă de browsere compatibile.
cu constanta de proporționalitate între viteza terminală și raza de cădere setată la 0.8 x 10-3 s–1 și LWC = 1 g m–3, se poate demonstra că o picătură poate crește de la 50 la 1000 la 1000 la doar 25 de minute. Deci, picăturile de nor activate cresc la 10-20 de metri cubi prin creșterea lentă a depunerii de vapori (rădăcina pătrată a timpului). Apoi, când începe coliziunea-coalescență și produce câteva picături mari, acestea pot crește exponențial cu timpul.
picăturile mai mici sunt de obicei sferice. Odată ce aceste picături ajung să fie peste un MM în rază, ele devin din ce în ce mai distorsionate, cu un fund aplatizat datorită forțelor de tragere și arată puțin ca jumătatea superioară a unui coc de hamburger. Ele pot fi distorsionate în continuare, astfel încât mijlocul formei de COC să fie împins în sus de forțele de tragere, astfel încât picătura să ia o formă asemănătoare unui bol cu susul în jos.
în cele din urmă picăturile se descompun, fie devenind suficient de subțiri în mijloc încât se rup în bucăți, fie ciocnindu-se cu alte picături atât de tare încât filamentele sau foile de lichid se rup pentru a forma alte picături. Aceste procese creează o gamă întreagă de dimensiuni de picături. Astfel, ploaia constă din picături care au un spectru larg de dimensiuni. Următorul videoclip (2:50) intitulat “Cum se formează picăturile de ploaie” începe cu o vedere simplificată a ciclului apei din atmosferă, dar apoi arată exemple de cădere, coliziune–coalescență și despărțire de picături de nori.
acum, aceasta este o scenă familiară. Căldura soarelui face ca apa din plante, lacuri și oceane să se transforme dintr-un lichid într-un vapor. Ridicat în atmosferă, vaporii de apă se răcesc și se condensează dintr-un gaz înapoi într-un lichid. Apa lichidă cade apoi înapoi la suprafață sub formă de ploaie, zăpadă, gheață sau grindină. Apa curge în râuri lacuri și oceane sau este stocată în pământ sau în calea zăpezii. Acesta este ciclul apei și descrie cea mai vitală mișcare a resurselor noastre prin întregul sistem terestru, dar, ca majoritatea lucrurilor din lumea noastră, când ne uităm la părțile minuscule care alcătuiesc întregul, putem învăța mult mai multe despre fenomen. Luați forma unei singure picături de ploaie. Picăturile mici de apă din atmosferă au o formă sferică datorită tensiunii superficiale sau a pielii moleculelor de apă. Pe măsură ce aceste picături cresc, devin mai grele și încep să cadă prin aer. Pe măsură ce cad, picătura de ploaie se ciocnește cu alte picături și continuă să crească. Aceste picături de ploaie mai mari cad prin aer mai repede rezistența vântului de pe partea inferioară a picăturii determină aplatizarea fundului picăturii, rezultând o picătură care arată ca un coc de hamburger. Pe măsură ce picătura continuă să scadă și să crească la un moment dat, devine prea mare pentru ca tensiunea superficială să o țină împreună, astfel încât picătura de ploaie Se rupe în picături spiracle mai mici. Investigarea proceselor pe care nu le putem vedea cu ochiul liber nu este nimic nou. Știința și tehnologia se conduc reciproc înainte și duc adesea la descoperiri și descoperiri pe parcurs. Odată cu inventarea fotografiei de mare viteză, am văzut în cele din urmă cele mai elementare elemente ale planetei noastre apoase în acțiune. Înțelegerea modului în care o picătură de ploaie mică cade prin atmosferă face mai mult decât să demonteze mitul că o picătură de ploaie cade ca o lacrimă. De fapt, face diferența atunci când vine vorba de măsurarea precipitațiilor, în special pentru radarele de la sol. Radarele de la sol se uită la părțile laterale ale picăturilor de ploaie și apoi estimează suspinele verticale și orizontale. O scădere mai grea și mai plată permite radarelor să identifice precipitații mai grele. De fapt, cele două radare de la bordul satelitului GPM pot măsura, de asemenea, dimensiunile picăturilor din spațiu și, prin urmare, o privire mai precisă asupra picăturilor de ploaie ne oferă o privire mai precisă asupra modului în care se formează precipitațiile globale.
pentru rimare, nucleație de captare și agregare, există ecuații similare cu termeni similari cu cei din ecuația 5.16—o zonă măturată, o eficiență de colectare, viteza relativă și concentrația de masă lichidă sau solidă a picăturilor sau gheții mai mici. Acestea sunt de obicei un pic mai complicate dacă gheața nu este sferică, dar conceptele sunt aceleași. Aceste procese de coliziune–coalescență a gheții sunt capabile să producă particule de gheață suficient de mari pentru a cădea și, dacă aceste particule se încălzesc pe măsură ce trec prin partea caldă a norului, se pot transforma în ploaie lichidă. O fracțiune semnificativă de ploaie vara poate proveni din coliziunea gheții–procesele de coalescență deasupra liniei de îngheț din nori.
