Микрофизика льда и смешанной фазы

Как образуются и растут кристаллы льда, и как лед и переохлажденная жидкая вода взаимодействуют, приводя к образованию осадков в холодных облаках.

Definition

Микрофизика льда и смешанной фазы — это исследование зарождения, роста и взаимодействия частиц льда, а также их сосуществования с переохлажденной жидкой водой в облаках с температурой ниже точки замерзания.

Scope

Охватывает режимы зарождения льда, рост кристаллов льда путем осаждения пара и разнообразие форм кристаллов, процесс Вегенера-Бержерона-Финдейзена, при котором лед растет за счет переохлажденных капель, обледенение и образование снежной крупы и града, агрегацию в снежинки и вторичное образование льда.

Core questions

• Как лед зарождается в облаках и почему переохлажденная вода сохраняется?
• Почему кристаллы льда быстро растут в присутствии переохлажденных капель?
• Как обледенение и агрегация формируют снежную крупу, град и снежинки?

Key theories

Процесс Вегенера-Бержерона-Финдейзена

Поскольку давление насыщенного пара над льдом ниже, чем над переохлажденной водой, кристаллы льда растут за счет осаждения пара, в то время как близлежащие капли испаряются, эффективно производя лед размером с осадки.

Mechanisms

Облачная вода может оставаться жидкой значительно ниже точки замерзания, поскольку для зарождения льда требуются либо ледяные ядра, либо, при очень низких температурах, гомогенное замерзание. Как только образуется лед, более низкое давление насыщенного пара над льдом, чем над переохлажденной водой, вызывает чистый перенос пара от капель к кристаллам — процесс Вегенера-Бержерона-Финдейзена. Кристаллы принимают формы, определяемые температурой и пересыщением, продолжают расти, сталкиваясь с переохлажденными каплями и замерзая (обледенение), образуя снежную крупу и град, и агрегируются в снежинки, которые падают и могут таять, превращаясь в дождь.

Clinical relevance

Ледяные процессы доминируют в осадках средних широт и сильно влияют на продолжительность жизни облаков и их радиационные свойства, что делает микрофизику смешанной фазы ключевой неопределенностью в моделях погоды и климата.

History

Вегенер отметил нестабильность сосуществования льда и воды, а Бержерон и Финдейзен в 1930-х годах развили это в теорию осадков на основе ледяных кристаллов, долгое время являвшуюся преобладающим объяснением дождя в средних широтах.

Key figures

• Tor Bergeron
• Walter Findeisen
• Alfred Wegener

Seminal works

• pruppacher1997
• lamb2011

Frequently asked questions

Что такое переохлажденная вода?

Переохлажденная вода — это жидкая вода, которая остается незамерзшей при температуре ниже 0 градусов Цельсия из-за отсутствия эффективных ледяных ядер; она распространена в облаках и является центральным элементом осадков смешанной фазы.