จุลฟิสิกส์ของน้ำแข็งและวัฏภาคผสม

การก่อตัวและการเจริญเติบโตของผลึกน้ำแข็ง และการที่น้ำแข็งกับน้ำเหลวเย็นยวดยิ่งมีปฏิสัมพันธ์กันจนเกิดหยาดน้ำฟ้าในเมฆเย็น

Definition

จุลฟิสิกส์ของน้ำแข็งและวัฏภาคผสมคือการศึกษาการก่อตัว การเจริญเติบโต และปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคน้ำแข็ง และการอยู่ร่วมกันของอนุภาคน้ำแข็งกับน้ำเหลวเย็นยวดยิ่งในเมฆที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง

Scope

ครอบคลุมถึงรูปแบบการก่อตัวของนิวเคลียสน้ำแข็ง การเจริญเติบโตของผลึกน้ำแข็งโดยการสะสมของไอน้ำและความหลากหลายของลักษณะผลึก กระบวนการ Wegener-Bergeron-Findeisen ซึ่งน้ำแข็งจะเติบโตโดยอาศัยหยดน้ำเย็นยวดยิ่ง การเกิดน้ำค้างแข็งและการก่อตัวของลูกเห็บและหิมะลูกปราย การรวมตัวกันเป็นเกล็ดหิมะ และการผลิตน้ำแข็งทุติยภูมิ

Core questions

• น้ำแข็งก่อตัวเป็นนิวเคลียสในเมฆได้อย่างไร และเหตุใดน้ำเย็นยวดยิ่งจึงคงอยู่ได้?
• เหตุใดผลึกน้ำแข็งจึงเติบโตอย่างรวดเร็วเมื่อมีหยดน้ำเย็นยวดยิ่งอยู่?
• การเกิดน้ำค้างแข็งและการรวมตัวกันสร้างลูกเห็บ หิมะลูกปราย และเกล็ดหิมะได้อย่างไร?

Key theories

กระบวนการ Wegener-Bergeron-Findeisen

เนื่องจากความดันไอน้ำอิ่มตัวเหนือพื้นผิวน้ำแข็งต่ำกว่าความดันไอน้ำอิ่มตัวเหนือน้ำเย็นยวดยิ่ง ผลึกน้ำแข็งจึงเติบโตโดยการสะสมของไอน้ำในขณะที่หยดน้ำที่อยู่ใกล้เคียงระเหยไป ทำให้เกิดน้ำแข็งขนาดหยาดน้ำฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

Mechanisms

น้ำในเมฆสามารถคงสภาพเป็นของเหลวได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งมาก เนื่องจากนิวเคลียสของน้ำแข็งต้องอาศัยนิวเคลียสน้ำแข็ง หรือที่อุณหภูมิต่ำมาก ๆ จะเกิดการเยือกแข็งแบบเอกพันธุ์ เมื่อน้ำแข็งก่อตัวขึ้น ความดันไอน้ำอิ่มตัวเหนือพื้นผิวน้ำแข็งที่ต่ำกว่าความดันไอน้ำอิ่มตัวเหนือน้ำเย็นยวดยิ่งจะขับเคลื่อนการถ่ายเทไอน้ำสุทธิจากหยดน้ำไปยังผลึก ซึ่งเป็นกระบวนการ Wegener-Bergeron-Findeisen ผลึกจะปรับเปลี่ยนลักษณะตามอุณหภูมิและภาวะอิ่มตัวยิ่งยวด และเติบโตต่อไปโดยการชนและทำให้หยดน้ำเย็นยวดยิ่งแข็งตัว (การเกิดน้ำค้างแข็ง) เพื่อก่อตัวเป็นลูกเห็บและหิมะลูกปราย และรวมตัวกันเป็นเกล็ดหิมะที่ตกลงมาและอาจละลายกลายเป็นฝน

Clinical relevance

กระบวนการของน้ำแข็งมีอิทธิพลต่อหยาดน้ำฟ้าในละติจูดกลางเป็นหลัก และส่งผลอย่างมากต่ออายุของเมฆและคุณสมบัติการแผ่รังสี ทำให้จุลฟิสิกส์ของวัฏภาคผสมเป็นความไม่แน่นอนที่สำคัญในแบบจำลองสภาพอากาศและภูมิอากาศ

History

Wegener ได้สังเกตความไม่เสถียรของการอยู่ร่วมกันของน้ำแข็งและน้ำ และ Bergeron กับ Findeisen ได้พัฒนาทฤษฎีนี้ในทศวรรษ 1930 ให้เป็นทฤษฎีผลึกน้ำแข็งของหยาดน้ำฟ้า ซึ่งเป็นคำอธิบายที่แพร่หลายมานานสำหรับการเกิดฝนในละติจูดกลาง

Key figures

• Tor Bergeron
• Walter Findeisen
• Alfred Wegener

Seminal works

• pruppacher1997
• lamb2011

Frequently asked questions

น้ำเย็นยวดยิ่งคืออะไร?

น้ำเย็นยวดยิ่งคือน้ำเหลวที่ยังคงไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศาเซลเซียส เนื่องจากขาดนิวเคลียสน้ำแข็งที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นเรื่องปกติในเมฆและเป็นหัวใจสำคัญของหยาดน้ำฟ้าแบบวัฏภาคผสม