Физика облаков и осадков
Микрофизические процессы, посредством которых водяной пар образует облачные капли и ледяные кристаллы, а затем превращается в дождь, снег и град.
Definition
Физика облаков и осадков — это изучение образования, роста и выпадения жидких и ледяных гидрометеоров в атмосфере в масштабе отдельных частиц.
Scope
Эта область охватывает нуклеацию облачных капель на аэрозольных частицах, рост капель путем конденсации, а также столкновения и коалесценции, образование и рост ледяных кристаллов, смешанные фазовые процессы, включая обледенение и агрегацию, роль ядер конденсации облаков и ядер льда, а также переход от облачных частиц к осадкам.
Sub-topics
Core questions
- Как образуются облачные капли на аэрозольных частицах?
- Какими процессами капли и кристаллы вырастают достаточно большими, чтобы выпадать в виде осадков?
- Как лед и жидкость сосуществуют и взаимодействуют в смешанных фазовых облаках?
Key theories
- Теория активации капель Кёлера
- Объединяя эффекты кривизны (Кельвина) и растворенного вещества (Рауля), теория Кёлера предсказывает критическое пересыщение, при котором частица дымки активируется в растущую облачную каплю.
- Столкновение-коалесценция и процесс Бержерона
- Осадки образуются либо путем столкновения и слияния более крупных капель в теплых облаках, либо путем роста ледяных кристаллов за счет переохлажденных капель в холодных облаках.
Mechanisms
Водяной пар конденсируется на ядрах конденсации облаков, как только пересыщение превышает критическое значение, заданное теорией Кёлера, образуя популяцию мелких капель. Они растут сначала за счет диффузии пара, а затем, более быстро, за счет гравитационного столкновения и коалесценции. В более холодных облаках ледяные кристаллы нуклеируются на ядрах льда или путем замерзания капель и растут за счет осаждения пара в присутствии переохлажденной воды (процесс Вегенера-Бержерона-Финдейзена), за счет обледенения и агрегации, в конечном итоге образуя снег, снежную крупу или град.
Clinical relevance
Микрофизика облаков определяет эффективность осадков, радиационные свойства облаков и взаимодействия аэрозолей с облаками, что делает ее центральной для прогнозирования погоды, оценок чувствительности климата и оценки засева облаков.
History
Теория осадков на основе ледяных кристаллов была предложена Вегенером и развита Бержероном и Финдейзеном в 1930-х годах, в то время как теория Кёлера 1936 года объяснила активацию капель. Область была синтезирована в исчерпывающей монографии Пруппахера и Клетта, являющейся стандартным справочником с 1970-х годов.
Key figures
- Tor Bergeron
- Hilding Kohler
- Hans Pruppacher
Related topics
Seminal works
- pruppacher1997
- rogers1989
Frequently asked questions
- Почему большинство дождевых капель в средних широтах изначально образуются как лед?
- В холодных облаках процесс Вегенера-Бержерона-Финдейзена позволяет ледяным кристаллам быстро расти за счет переохлажденных капель; кристаллы падают, тают и достигают земли в виде дождя.