Vi vật lý pha hỗn hợp và băng

Cách các tinh thể băng hình thành và phát triển, và cách băng và nước lỏng siêu lạnh tương tác để tạo ra giáng thủy trong các đám mây lạnh.

Definition

Vi vật lý pha hỗn hợp và băng là nghiên cứu về sự kết tinh, phát triển và tương tác của các hạt băng, và sự cùng tồn tại của chúng với nước lỏng siêu lạnh, trong các đám mây lạnh hơn điểm đóng băng.

Scope

Bao gồm các chế độ kết tinh băng, sự phát triển của các tinh thể băng bằng sự lắng đọng hơi nước và sự đa dạng của các dạng tinh thể, quá trình Wegener-Bergeron-Findeisen theo đó băng phát triển bằng cách hấp thụ các giọt siêu lạnh, sự đóng băng và hình thành mưa đá và mưa tuyết, sự kết tụ thành bông tuyết, và sự sản xuất băng thứ cấp.

Core questions

• Băng kết tinh trong các đám mây như thế nào, và tại sao nước siêu lạnh lại tồn tại?
• Tại sao các tinh thể băng phát triển nhanh chóng khi có các giọt siêu lạnh?
• Sự đóng băng và kết tụ tạo ra mưa đá, mưa tuyết và bông tuyết như thế nào?

Key theories

Quá trình Wegener-Bergeron-Findeisen

Vì áp suất hơi bão hòa trên băng thấp hơn trên nước siêu lạnh, các tinh thể băng phát triển bằng cách lắng đọng hơi nước trong khi các giọt gần đó bay hơi, tạo ra băng có kích thước giáng thủy một cách hiệu quả.

Mechanisms

Nước trong đám mây có thể duy trì trạng thái lỏng ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với điểm đóng băng vì sự kết tinh băng đòi hỏi phải có các hạt nhân băng hoặc, ở nhiệt độ rất thấp, sự đóng băng đồng nhất. Khi băng đã hình thành, áp suất hơi bão hòa thấp hơn trên băng so với trên nước siêu lạnh sẽ thúc đẩy sự truyền hơi nước ròng từ các giọt sang các tinh thể, đây là quá trình Wegener-Bergeron-Findeisen. Các tinh thể có hình dạng được xác định bởi nhiệt độ và độ siêu bão hòa, tiếp tục phát triển bằng cách va chạm và đóng băng các giọt siêu lạnh (đóng băng) để tạo thành mưa đá và mưa tuyết, và kết tụ thành bông tuyết rơi xuống và có thể tan chảy thành mưa.

Clinical relevance

Các quá trình băng chi phối lượng giáng thủy ở vĩ độ trung bình và ảnh hưởng mạnh mẽ đến tuổi thọ đám mây và các đặc tính bức xạ, khiến vi vật lý pha hỗn hợp trở thành một yếu tố không chắc chắn chính trong các mô hình thời tiết và khí hậu.

History

Wegener đã ghi nhận sự không ổn định của sự cùng tồn tại của băng và nước, và Bergeron cùng Findeisen đã phát triển nó vào những năm 1930 thành lý thuyết tinh thể băng về giáng thủy, từ lâu đã là lời giải thích chủ đạo cho mưa ở các vĩ độ trung bình.

Key figures

• Tor Bergeron
• Walter Findeisen
• Alfred Wegener

Seminal works

• pruppacher1997
• lamb2011

Frequently asked questions

Nước siêu lạnh là gì?

Nước siêu lạnh là nước lỏng vẫn không đóng băng dưới 0 độ C vì nó thiếu các hạt nhân băng hiệu quả; nó phổ biến trong các đám mây và là yếu tố trung tâm của giáng thủy pha hỗn hợp.