Процесс Вегенера – Бержерона – Финдайзена

Процесс Вегенера-Бержерона-Финдейзена (в честь Альфреда Вегенера , Тора Бержерона и Вальтера Финдайзена [ де ] ) (или «процесс холодного дождя») представляет собой процесс роста кристаллов льда, который происходит в облаках смешанной фазы (содержащих смесь переохлажденных вода и лед) в регионах, где давление пара в окружающей среде находится между давлением насыщенного пара над водой и более низким давлением насыщенного пара над льдом. Это недостаточно насыщенная среда для жидкой воды и перенасыщенная среда для льда, что приводит к быстрому испарению жидкой воды и быстрому росту кристаллов льда за счет осаждения паров . Если плотность льда мала по сравнению с жидкой водой, кристаллы льда могут вырасти достаточно большими, чтобы выпасть из облака и расплавиться в капли дождя, если температура на более низких уровнях будет достаточно высокой.

Процесс Бержерона, если он вообще происходит, гораздо более эффективен в производстве крупных частиц, чем рост более крупных капель за счет более мелких, поскольку разница в давлении насыщения между жидкой водой и льдом больше, чем повышение давления насыщения. над небольшими каплями (для капель, достаточно больших, чтобы вносить значительный вклад в общую массу). Информацию о других процессах, влияющих на размер частиц, см. в разделе «Физика дождя и облаков» .

История

Принцип роста льда путем осаждения паров на кристаллах льда за счет воды был впервые теоретизирован немецким ученым Альфредом Вегенером в 1911 году при изучении образования инея . Вегенер предположил, что если этот процесс происходит в облаках и кристаллы становятся достаточно большими, чтобы выпадать, то это может стать жизнеспособным механизмом осаждения. Хотя его работа по выращиванию кристаллов льда привлекла некоторое внимание, потребовалось еще 10 лет, прежде чем ее применение к осадкам было признано. ^[1]

Зимой 1922 года Тор Бержерон, прогуливаясь по лесу, сделал любопытное наблюдение. Он заметил, что в дни, когда температура была ниже нуля, слоистый слой, который обычно покрывал склон холма, останавливался на вершине полога , а не доходил до земли, как это было в дни, когда температура была выше нуля. Будучи знаком с более ранними работами Вегенера, Бержерон предположил, что кристаллы льда на ветвях деревьев поглощают пар из переохлажденного слоистого облака, не позволяя ему достичь земли.

В 1933 году Бержерон был выбран для участия в собрании Международного союза геодезии и геофизики в Лиссабоне, Португалия, где он представил свою теорию кристаллов льда. В своей статье он заявил, что если популяция кристаллов льда будет значительно меньше по сравнению с каплями жидкой воды, то кристаллы льда могут вырасти достаточно большими, чтобы выпасть (исходная гипотеза Вегенера). Бержерон предположил, что этот процесс может быть причиной всех дождей, даже в тропическом климате; заявление, которое вызвало немало разногласий между учеными тропических и средних широт. В конце 1930-х годов немецкий метеоролог Вальтер Финдайзен расширил и усовершенствовал работу Бержерона посредством как теоретической, так и экспериментальной работы.

Необходимые условия

Условие того, что количество капель должно быть значительно больше числа кристаллов льда, зависит от доли ядер конденсации облака , которые впоследствии (выше в облаке) выступят в качестве ядер льда . Альтернативно, адиабатический восходящий поток должен быть достаточно быстрым, чтобы высокое пересыщение вызывало спонтанное зарождение гораздо большего количества капель, чем присутствует ядер конденсации облака. В любом случае это должно произойти не намного ниже точки замерзания, поскольку это приведет к прямому зарождению льда. Рост капель не позволит температуре вскоре достичь точки быстрого зарождения кристаллов льда .

Более сильное пересыщение льда, если оно когда-то присутствует, заставляет его быстро расти, удаляя воду из паровой фазы. Если давление пара $p$ падает ниже давления насыщения по отношению к жидкой воде $p_{w}$ , капли перестанут расти. Этого может не произойти, если $p_{w}$ само по себе быстро падает, в зависимости от наклона кривой насыщения, скорости падения и скорости восходящего потока, или если падение $p$ происходит медленно и зависит от количества и размера кристаллов льда. Если восходящий поток будет слишком быстрым, все капли в конечном итоге замерзнут, а не испарится.

Аналогичный предел встречается при нисходящем движении. Жидкая вода испаряется, вызывая давление пара. $p$ повышаться, но если давление насыщения по отношению ко льду $p_{i}$ поднимается слишком быстро при нисходящем потоке, весь лед растает до того, как сформируются большие кристаллы льда.

Korolev and Mazin ^[2] производные выражения для критической скорости восходящего и нисходящего потока:

u_{up}={\frac {p_{w}-p_{i}}{p_{i}}}\eta N_{i}{\bar {r_{i}}}\,

u_{dn}={\frac {p_{i}-p_{w}}{p_{w}}}\chi N_{w}{\bar {r_{w}}}\,

где η и χ — коэффициенты, зависящие от температуры и давления, $N_{i}$ и $N_{w}$ – плотности частиц льда и жидкости (соответственно), ${\bar {r_{i}}}$ и ${\bar {r_{w}}}$ – средний радиус частиц льда и жидкости (соответственно).

Для значений $N_{i}{\bar {r_{i}}}$ типичный для облаков, $u_{up}$ варьируется от нескольких см/с до нескольких м/с. Эти скорости могут быть легко вызваны конвекцией, волнами или турбулентностью, что указывает на то, что жидкая вода и лед нередко растут одновременно. Для сравнения, для типичных значений $N_{w}{\bar {r_{w}}}$ , скорость нисходящего потока превышает несколько $ms^{-1}$ необходимы для одновременного сжатия жидкости и льда. ^[3] Эти скорости характерны для конвективных нисходящих потоков, но не типичны для слоистых облаков.

Образование кристаллов льда

Самый распространенный способ формирования кристалла льда начинается с ядра льда в облаке. Кристаллы льда могут образовываться в результате гетерогенного осаждения , контакта, погружения или замерзания после конденсации. При гетерогенном осаждении ядро льда просто покрыто водой. При контакте ядра льда сталкиваются с каплями воды, которые замерзают при ударе. При иммерсионной заморозке все ядро льда покрыто жидкой водой. ^[4]

Вода замерзает при разных температурах в зависимости от типа присутствующих ядер льда. Ядра льда заставляют воду замерзать при более высоких температурах, чем это могло бы произойти самопроизвольно. Чтобы чистая вода могла самопроизвольно замерзнуть (так называемое гомогенное зародышеобразование ), температура облаков должна составлять -35 ° C (-31 ° F). ^[5] Вот несколько примеров ядер льда:

Ядра льда	Температура замерзания
Бактерии	−2,6 ° C (27,3 ° F)
Каолинит	−30 ° C (−22 ° F)
Йодид серебра	−10 ° C (14 ° F)
ватерит	−9 ° C (16 ° F)

Умножение льда

Различные кристаллы льда присутствуют вместе в облаке

По мере роста кристаллы льда могут сталкиваться друг с другом, раскалываться и ломаться, в результате чего образуется множество новых кристаллов льда. Есть много форм кристаллов льда, которые сталкиваются друг с другом. К этим формам относятся шестиугольники, кубы, столбцы и дендриты. Физики и химики-атмосферники называют этот процесс «усилением льда». ^[6]

Агрегация

Процесс слипания кристаллов льда называется агрегацией. Это происходит, когда кристаллы льда становятся скользкими или липкими при температуре -5 °C (23 °F) и выше из-за водяного слоя, окружающего кристалл. Кристаллы льда разных размеров и форм падают с разной конечной скоростью и обычно сталкиваются и слипаются.

Аккреция

Когда кристалл льда сталкивается с каплями переохлажденной воды, это называется аккрецией (или инеймингом). Капли замерзают при ударе и могут образовывать крупу . Если образовавшаяся крупа снова попадает в облако ветром, она может продолжать расти больше и плотнее, образуя в конечном итоге град . ^[6]

Осадки

В конце концов этот ледяной кристалл вырастет настолько, что сможет упасть. Он может даже столкнуться с другими кристаллами льда и стать еще больше в результате слияния , агрегации или аккреции при столкновении.

Процесс Бержерона часто приводит к выпадению осадков. По мере того, как кристаллы растут и падают, они проходят через основание облака, температура которого может быть выше нуля. Это приводит к тому, что кристаллы тают и выпадают в виде дождя. Под основанием облаков также может находиться слой воздуха ниже точки замерзания, вызывающий повторное замерзание осадков в виде ледяных крупинок . Точно так же слой воздуха ниже точки замерзания может находиться на поверхности, в результате чего осадки выпадают в виде ледяного дождя . В случае образования вирги этот процесс также может привести к отсутствию осадков и их испарению до того, как они достигнут земли .

См. также

Ссылки

^ Харпер, Кристина (2007). Погода и климат: десятилетие за десятилетием . Наука двадцатого века (иллюстрированное ред.). Издательство информационной базы. стр. 74–75. ISBN 978-0-8160-5535-7 .
^ Королев, А.В.; Мазин, ИП (2003). «Пересыщение водяного пара в облаках» . Дж. Атмос. Наука . 60 (24): 2957–2974. Бибкод : 2003JAtS...60.2957K . doi : 10.1175/1520-0469(2003)060<2957:SOWVIC>2.0.CO;2 .
^ Королев, Алексей (2007). «Ограничения механизма Вегенера-Бержерона-Финдейзена в эволюции облаков смешанной фазы» . Дж. Атмос. Наука . 64 (9): 3372–3375. Бибкод : 2007JAtS...64.3372K . дои : 10.1175/JAS4035.1 .
^ Зарождение льда в смешанно-фазовых облаках Томаса Ф. Уэйла, Университет Лидса, Лидс, Великобритания, ГЛАВА 2,1.1 Способы гетерогенного зарождения льда.
^ Куп, Т. (25 марта 2004 г.). «Гомогенное зародышеобразование льда в воде и водных растворах» . Журнал физической химии . 218 (11): 1231–1258. дои : 10.1524/зпч.218.11.1231.50812 . S2CID 46915879 . Архивировано из оригинала 11 августа 2012 года . Проверено 7 апреля 2008 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Микрофизика облаков и осадков. Пруппахер, Ганс Р., Клетт, Джеймс, 1965.

Уоллес, Джон М. и Питер В. Хоббс: Наука об атмосфере , 2006 г., ISBN 0-12-732951-X .
Яу, М.К. и Роджерс, Р.Р.: «Краткий курс физики облаков», 1989 г., ISBN 0-7506-3215-1 .

Внешние ссылки

Демонстрация процесса Бержерона

[1] Харпер, Кристина (2007). Погода и климат: десятилетие за десятилетием . Наука двадцатого века (иллюстрированное ред.). Издательство информационной базы. стр. 74–75. ISBN 978-0-8160-5535-7 .

[2] Королев, А.В.; Мазин, ИП (2003). «Пересыщение водяного пара в облаках» . Дж. Атмос. Наука . 60 (24): 2957–2974. Бибкод : 2003JAtS...60.2957K . doi : 10.1175/1520-0469(2003)060<2957:SOWVIC>2.0.CO;2 .

[WBF-3] Королев, Алексей (2007). «Ограничения механизма Вегенера-Бержерона-Финдейзена в эволюции облаков смешанной фазы» . Дж. Атмос. Наука . 64 (9): 3372–3375. Бибкод : 2007JAtS...64.3372K . дои : 10.1175/JAS4035.1 .

[4] Зарождение льда в смешанно-фазовых облаках Томаса Ф. Уэйла, Университет Лидса, Лидс, Великобритания, ГЛАВА 2,1.1 Способы гетерогенного зарождения льда.

[Koop2004-5] Куп, Т. (25 марта 2004 г.). «Гомогенное зародышеобразование льда в воде и водных растворах» . Журнал физической химии . 218 (11): 1231–1258. дои : 10.1524/зпч.218.11.1231.50812 . S2CID 46915879 . Архивировано из оригинала 11 августа 2012 года . Проверено 7 апреля 2008 г.

[ReferenceA-6] Перейти обратно: ^а ^б Микрофизика облаков и осадков. Пруппахер, Ганс Р., Клетт, Джеймс, 1965.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]