Процесс Вегенера – Бержерона – Финдейзена - Wegener–Bergeron–Findeisen process

В Процесс Вегенера – Бержерона – Финдейзена (после Альфред Вегенер, Тор Бержерон и Вальтер Финдейзен ), (или «процесс холодного дождя») - это процесс роста кристаллов льда, который происходит в облаках смешанной фазы (содержащих смесь переохлажденная вода и лед) в областях, где давление окружающего пара падает между давление насыщенного пара над водой и более низкое давление насыщенного пара над льдом. Это недосыщенная среда для жидкой воды, но перенасыщенная среда для льда, приводящая к быстрому испарению жидкой воды и быстрому росту кристаллов льда через пар. отложение. Если плотность льда мала по сравнению с жидкой водой, кристаллы льда могут вырасти достаточно большими, чтобы выпасть из облака, таяя в капли дождя, если температуры более низкого уровня достаточно теплые.

Процесс Бержерона, если он вообще имеет место, 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 увеличение давления насыщения. более мелких капель (для капель, достаточно больших, чтобы вносить значительный вклад в общую массу). О других процессах, влияющих на размер частиц, см. дождь и физика облаков.

История

Принцип роста льда за счет осаждения из паровой фазы на кристаллы льда за счет воды был впервые теоретизирован немецким ученым Альфредом Вегенером в 1911 году при изучении иней формирование. Вегенер предположил, что если этот процесс происходит в облаках и кристаллы вырастают достаточно большими, чтобы выпасть, то это может быть жизнеспособным механизмом осаждения. Хотя его работа с выращиванием кристаллов льда привлекла некоторое внимание, потребуется еще 10 лет, прежде чем ее применение к осадкам будет признано.^[1]

Зимой 1922 года Тор Бержерон сделал любопытное наблюдение, гуляя по лесу. Он заметил, что в дни, когда температура опускалась ниже нуля, пластовая палуба, которая обычно покрывала склон холма, останавливалась на вершине холма. навес вместо того, чтобы простираться до земли, как в дни, когда температура была выше нуля. Зная более ранние работы Вегенера, Бержерон предположил, что кристаллы льда на ветвях деревьев собирают пар из переохлажденного слоистого облака, не позволяя ему достигать земли.

В 1933 году Бержерон был выбран для участия в заседании Международного союза геодезии и геофизики в Лиссабоне, Португалия, где он представил свою теорию ледяных кристаллов. В своей статье он заявил, что если популяция кристаллов льда будет значительно меньше по сравнению с жидкими каплями воды, кристаллы льда могут вырасти достаточно большими, чтобы выпасть (первоначальная 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 Финдейзен расширил и усовершенствовал работу Бержерона как теоретической, так и экспериментальной работой.

Обязательные условия

Условие, что количество капель должно быть много больше количества кристаллов льда, зависит от доли облачные ядра конденсации который позже (выше в облаке) будет действовать как ледяные ядра. В качестве альтернативы адиабатический восходящий поток должно быть достаточно быстрым, чтобы высокое пересыщение вызывало спонтанное зарождение гораздо большего количества капель, чем присутствуют ядра облачной конденсации. В любом случае это должно произойти не намного ниже точки замерзания, так как это приведет к прямому зарождению льда. Рост капель не позволит температуре вскоре достичь точки быстрого зарождение кристаллов льда.

Более сильное перенасыщение льда, когда оно присутствует, вызывает его быстрый рост, таким образом удаляя воду из паровой фазы. Если давление пара ${ displaystyle p}$ падает ниже давления насыщения по отношению к жидкой воде ${ displaystyle p_ {w}}$ , капли перестанут расти. Этого может не произойти, если ${ displaystyle p_ {w}}$ быстро падает, в зависимости от наклона кривой насыщения, скорость отставания, и скорость восходящего потока, или если падение ${ displaystyle p}$ происходит медленно, в зависимости от количества и размера кристаллов льда. Если восходящий поток будет слишком быстрым, все капли, наконец, замерзнут, а не испарятся.

Аналогичный предел встречается при нисходящем потоке. Жидкая вода испаряется, вызывая давление пара ${ displaystyle p}$ подняться, но если давление насыщения по отношению ко льду ${ displaystyle p_ {i}}$ поднимается слишком быстро при нисходящем потоке, весь лед растает раньше, чем образуются большие кристаллы льда.

Королев и Мазин ^[2] производные выражения для критической восходящей и нисходящей скорости:

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

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

куда η и χ коэффициенты, зависящие от температуры и давления, ${ displaystyle N_ {i}}$ и ${ displaystyle N_ {w}}$ - числовые плотности частиц льда и жидкости (соответственно), а ${ displaystyle { bar {r_ {i}}}}$ и ${ displaystyle { bar {r_ {w}}}}$ - средний радиус частиц льда и жидкости (соответственно).

Для значений ${ displaystyle N_ {i} { bar {r_ {i}}}}$ типично для облаков, ${ displaystyle u_ {вверх}}$ колеблется от нескольких см / с до нескольких м / с. Эти скорости могут быть легко вызваны конвекцией, волнами или турбулентностью, что указывает на то, что нередко и жидкая вода, и лед растут одновременно. Для сравнения, для типичных значений ${ displaystyle N_ {w} { bar {r_ {w}}}}$ , скорости нисходящего потока, превышающие несколько ${ Displaystyle мс ^ {- 1}}$ необходимы для одновременной усадки как жидкости, так и льда.^[3] Эти скорости обычны для конвективных нисходящих потоков, но не типичны для слоистых облаков.

Формирование кристаллов льда

Самый распространенный способ сформировать ледяной кристалл начинается с ледяное ядро в облаке. Кристаллы льда могут образовываться из неоднородное отложение, контакт, погружение или замерзание после конденсации. При гетерогенном осаждении ядро льда просто покрывается водой. При контакте ядра льда будут сталкиваться с каплями воды, которые замерзают при ударе. При иммерсионной заморозке все ледяное ядро покрыто жидкой водой.^[4]

Вода замерзнет при разных температурах в зависимости от типа присутствующих ядер льда. Ядра льда заставляют воду замерзать при более высоких температурах, чем это могло бы произойти спонтанно. Для самопроизвольного замерзания чистой воды, называемого гомогенное зародышеобразование температура облаков должна быть -35 ° C (-31 ° F).^[5] Вот несколько примеров ядер льда:

Ядра льда	Температура замораживания
Бактерии	−2,6 ° С (27,3 ° F)
Каолинит	−30 ° С (−22 ° F)
Йодид серебра	-10 ° С (14 ° F)
Ватерит	−9 ° С (16 ° F)

Умножение льда

Различные кристаллы льда собраны вместе в облаке

По мере роста кристаллов льда они могут сталкиваться друг с другом, раскалываться и раскалываться, в результате чего образуется множество новых кристаллов льда. Есть много форм кристаллы льда столкнуться друг с другом. Эти формы включают шестиугольники, кубы, столбцы и дендриты. Физики и химики атмосферы называют этот процесс «усилением льда».^[6]

Агрегация

Процесс слипания кристаллов льда называется агрегацией. Это происходит, когда кристаллы льда становятся гладкими или липкими при температуре −5 ° C (23 ° F) и выше из-за водяного покрытия, окружающего кристалл. Кристаллы льда разной формы и размера падают в разное время. предельные скорости и обычно сталкиваются и прилипают.

Аккреция

Когда ледяной кристалл сталкивается с переохлажденной водой, это называется аккрецией (или обрамлением). Капли замерзают при ударе и могут образовываться крупа. Если образовавшаяся крупа снова попадает в облако ветром, она может продолжать расти и становиться более плотной, в конечном итоге формируя град.^[6]

Осадки

В конце концов этот ледяной кристалл станет достаточно большим, чтобы упасть. Он может даже столкнуться с другими кристаллами льда и еще больше увеличиться в результате столкновения. слияние, агрегация или аккреция.

Процесс Бержерона часто приводит к выпадению осадков. По мере того, как кристаллы растут и падают, они проходят через основание облака, которое может быть выше точки замерзания. Это заставляет кристаллы таять и выпадать в виде дождя. Также может быть слой воздуха ниже точки замерзания ниже нижней границы облаков, вызывающий повторное замерзание осадков в виде ледяная крупа. Точно так же слой воздуха ниже точки замерзания может находиться на поверхности, в результате чего осадки выпадают в виде ледяной дождь. Процесс также может привести к отсутствию осадков, испарению до того, как они достигнут земли, в случае формирования вирга.

Смотрите также

внешняя ссылка

Демонстрация процесса Бержерона

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

[2] Королев, А.В .; Мазин, И. (2003). «Перенасыщение водяного пара в облаках». J. Atmos. Наука. 60 (24): 2957–2974. Bibcode:2003JAtS ... 60,2957K. Дои:10.1175 / 1520-0469 (2003) 060 <2957: SOWVIC> 2.0.CO; 2.

[WBF-3] Королев, Алексей (2007). «Ограничения механизма Вегенера – Бержерона – Финдейзена в эволюции смешанных фазовых облаков». J. Atmos. Наука. 64 (9): 3372–3375. Bibcode:2007JAtS ... 64,3372K. Дои:10.1175 / JAS4035.1.

[4] Зарождение льда в облаках со смешанной фазой Томас Ф. Кит, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство, ГЛАВА 2,1.1 Способы зарождения гетерогенного льда

[Koop2004-5] Куп, Т. (25 марта 2004 г.). «Гомогенное зародышеобразование льда в воде и водных растворах». Zeitschrift für Physikalische Chemie. 218 (11): 1231–1258. Дои:10.1524 / zpch.218.11.1231.50812. Получено 2008-04-07.

[ReferenceA-6] а ^б Микрофизика облаков и осадков. Пруппахер, Ханс Р., Клетт, Джеймс, 1965 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]