5.8 visste du att mest nederbörd kommer från kollision-koalescens?
5.8 visste du att mest nederbörd kommer från kollisionskoalescens?
det finns två typer av processer för tillväxt till nederbördsfall: varma molnprocesser och kalla molnprocesser. I varma moln involverar processerna endast vätskedroppar. I kalla moln kan processerna endast involvera fasta partiklar, såväl som blandade faser (både superkyld vätska och is). Några av de viktigaste processerna involverar kollisioner mellan droppar, oavsett om de är flytande eller fasta.
kollisioner
kollisioner förekommer i både kalla och varma moln och kan innebära antingen vätskedroppar eller fasta partiklar eller båda.
- kollision-koalescens: stora vätskedroppar rensar mindre vätskedroppar när det faller.
- Riming: fallande is samlar flytande vatten som fryser på ytan.
- fånga kärnbildning: stor vätskedroppe fångar liten ispartikel, som fungerar som en iskärna och får den stora droppen att frysa. Partikeln som samlas kan vara antingen en iskärna (IN) eller en isbit, som också är en bra iskärna. I båda fallen fryser den superkylda vätskedroppen vid kontakt med IN.
- Aggregation: fallande snöflinga rensar andra snöflingor som aggregerar för att göra en större snöflinga bunt.
för ett molnfall i vila är tyngdkraften den enda yttre kraften. När molnfallet börjar falla, bildar luftmotståndet en annan kraft som kallas drag, vilket är en funktion av hastigheten.
på mindre än en sekund når partikeln en fallhastighet så att dragkraften exakt balanserar gravitationskraften och hastigheten blir konstant. Denna hastighet kallas terminalhastigheten. Eftersom gravitationskraften beror på droppens volym, går den som kuben i droppradien. Däremot verkar drag på droppens yta, och så beror det på droppområdet och går som kvadraten på droppradien (gånger hastigheten). Att ställa in gravitations-och dragkrafterna lika med andra och sedan lösa för terminalhastigheten är lätt att visa att terminalhastigheten bör variera linjärt med droppradie. Mätningar bär detta linjära förhållande ut. Till exempel är terminalhastigheten för en radiedropp på 50 kg cirka 0,3 m s–1, medan terminalhastigheten för en droppe 10 gånger större (radie på 500 kg) är cirka 4 m s–1, vilket bara är lite mer än en faktor-av-10 ökning.
tillväxten av ett moln faller i en Nederbörd droppe genom kollision-koalescens ges av ekvationen:
d m L dt = – Området sopas ut⋅effektivitet samling⋅hastighet skillnaden⋅flytande vatten innehåll l m L dt = g ⋅ E k ⋅( v-L − v-s )⋅LWC-d-m-L dt =π ( r-L + r ) 2 ⋅ E k ⋅( v-L − v-s )⋅LWC Denna ekvation är inte rendering ordentligt på grund av att en inkompatibel webbläsare. Se Tekniska krav i orienteringen för en lista över kompatibla webbläsare.
- mL är massan av den stora droppen som faller,
- Ag är den geometriska tvärsnittsarean för vilken kollisioner mellan den fallande stora droppen och de många dropparna nedan är möjliga,
- Ec är kollisions-koalescenseffektiviteten (dvs.(se figuren nedan),
- vL är hastigheten för den stora droppen och vs är hastigheten för de mindre, långsammare fallande dropparna under,
- och LWC är vätskeinnehållet.
figuren nedan ger en bra konceptuell bild av kollisionskoalescens. Uppsamlingsdroppen måste falla snabbare än den mindre uppsamlade droppen så att de två kan kollidera. När luften effektiviserar böjer sig runt droppen, bär de de mindre dropparna med sig runt droppen och den effektiva tvärsnittsarean blir mindre än den faktiska tvärsnittsarean, vilket helt enkelt är tvärsnittsarean på en skiva med en radie som är summan av radierna för den stora kollektordroppen och de mindre uppsamlade dropparna. När droppar blir större har de för mycket tröghet för att följa luftströmmarna, vilket gör kollisionen mer sannolikt.
Ec är liten för 10 oc-droppar, så genom en slumpmässig process blir vissa droppar större än andra och börjar samla mindre droppar (se figur nedan). Ec ökar när radien för det fallande fallet ökar. När den större fallande droppen får en radie på mer än 100 OC, är dess kollisions–koalescenseffektivitet mycket bra för alla mindre droppar ner till storlekar på ca 10-20 oc.
när en uppsamlingsdroppe har nått en radie på några hundra GHz, faller den snabbt (vL > > vs) och dess kollisions–koalescenseffektivitet är nära 100%. Ta nu följande steg för att skriva om ekvation 5.16: (1) EG lika med 1, (2) vL >> vs, (3) vL = konstant x rL, (4) mL = 4plnrL3/3 och (5) lösa för drL/dt. När du har tagit dessa steg kan du visa att drL / dt är proportionell mot rL. Det är ju ju större droppen blir desto snabbare växer den. Att separera variabler (rL och t) och integrera från rL = 0 vid t = 0 till godtyckliga värden på rL och t avslöjar att rL ökar exponentiellt med tiden:
r d 2 exp (tid) denna ekvation är inte rendering korrekt på grund av en inkompatibel webbläsare. Se Tekniska krav i orienteringen för en lista över kompatibla webbläsare.
med proportionalitetskonstanten mellan terminalhastigheten och droppradien inställd på 0.8 x 10-3 s – 1 och LWC = 1 g m–3, Det kan visas att en droppe kan växa från 50 till 1000 kg genom kollision–koalescens på bara 25 minuter. Så, de aktiverade molndropparna växer till 10-20 micrm genom långsam tillväxt av ångavsättning (kvadratrot av tiden). Sedan när kollision–coalescence startar och producerar några stora droppar, de kan växa exponentiellt med tiden.
mindre droppar är vanligtvis sfäriska. När dessa droppar får vara över en mm i radie, de blir alltmer förvrängd, med en tillplattad botten på grund av dragkrafter, och de ser lite ut som den övre halvan av en hamburgare bulle. De kan förvrängas ytterligare så att mitten av bulleformen skjuts upp av dragkrafterna så att droppen får en form som liknar en upp och ner skål.
så småningom bryts dropparna upp, antingen genom att bli tillräckligt tunna i mitten så att de bryts i bitar eller genom att kollidera med andra droppar så hårt att filament eller vätskeark bryts av för att bilda andra droppar. Dessa processer skapar ett stort antal storlekar av droppar. Således består regn av droppar som har ett brett spektrum av storlekar. Följande video (2: 50) med titeln “Hur regndroppar bildas” börjar med en förenklad bild av atmosfärens vattencykel, men visar sedan exempel på fallande droppe, kollisionskoalescens och molndroppsuppdelning.
nu är detta en välbekant scen. Solens värme får vatten från växter, sjöar och hav att vända sig från en vätska till en ånga. Högt i atmosfären kyler vattenångan sedan ner och kondenserar från en gas tillbaka till en vätska. Det flytande vattnet faller sedan tillbaka till ytan i form av regn, snö, is eller hagel. Vatten rinner ut i strömmar sjöar och hav eller lagras i marken eller i snö väg. Detta är vattencykeln och det beskriver vår viktigaste resurs rör sig genom hela jordsystemet, men som de flesta saker i vår värld när vi tittar på de små delarna som utgör helheten kan vi lära oss mycket mer om fenomenet. Ta formen av en enda regndroppe. Små droppar vatten i atmosfären är sfäriska i form på grund av ytspänningen eller huden på vattenmolekylerna. När dessa droppar växer blir de tyngre och börjar falla genom luften. När de faller kolliderar regndroppen med andra droppar och fortsätter att bli större. Dessa större regndroppar faller genom luften snabbare vindmotståndet på undersidan av droppen får botten av droppen att platta vilket resulterar i att en droppe ser ut som en hamburgerbulle. När droppen fortsätter att falla och växa någon gång blir den för stor för ytspänningen för att hålla den ihop, så regndroppen bryts isär i mindre spirakeldroppar. Att undersöka de processer vi inte kan se med blotta ögat är inget nytt. Vetenskap och teknik driver varandra framåt och leder ofta till insikter och upptäckter på vägen. Med uppfinningen av höghastighetsfotografering såg vi äntligen de mest grundläggande elementen på vår vattniga planet i aktion. Att förstå hur en liten regndroppe faller genom atmosfären gör mer än att debunkera myten om att en regndroppe faller som en teardrop. Det gör faktiskt en skillnad när det gäller att mäta nederbörd, särskilt för markradar. Markradar tittar på regndropparnas sidor och uppskattar sedan de vertikala och horisontella suckarna. En tyngre, plattare droppe gör att Radar kan identifiera tyngre nederbörd. Faktum är att de två radarna ombord på GPM-satelliten också kan mäta droppstorlekar från rymden och så en mer exakt titt på regndroppar ger oss en mer exakt titt på hur global nederbörd formar sig.
för riming, fånga kärnbildning och aggregering finns det liknande ekvationer med termer som liknar dem i ekvation 5.16—ett område som sveps ut, en uppsamlingseffektivitet, den relativa hastigheten och den flytande eller fasta masskoncentrationen av de mindre dropparna eller isen. Dessa är vanligtvis lite mer komplicerade om isen inte är sfärisk, men begreppen är desamma. Dessa iskollision-koalescensprocesser kan producera ispartiklar som är tillräckligt stora för att falla, och om dessa partiklar värms när de passerar genom den varma delen av molnet kan de förvandlas till flytande regn. En betydande del av regnet på sommaren kan komma från iskollision–koalescensprocesser ovanför fryslinjen i molnen.
