Quá trình tìm kiếm của Wegener thang Bergeron Kiếm – Wikipedia

Quá trình tìm kiếm Wegener của Bergeron Mạnh [19900900] (sau Alfred Wegener, Tor Bergeron và Walter Findeisen), (hay "quá trình mưa lạnh") là một quá trình tăng trưởng tinh thể băng xảy ra trong các đám mây pha (chứa hỗn hợp nước siêu lạnh và nước đá) ở những vùng có áp suất hơi xung quanh rơi giữa áp suất hơi bão hòa so với nước và áp suất hơi bão hòa thấp hơn băng. Đây là môi trường bão hòa cho nước lỏng nhưng là môi trường siêu bão hòa cho nước đá dẫn đến sự bay hơi nhanh của nước lỏng và tăng trưởng tinh thể băng nhanh chóng thông qua sự lắng đọng hơi. Nếu mật độ số lượng băng nhỏ so với nước lỏng, các tinh thể băng có thể phát triển đủ lớn để rơi ra khỏi đám mây, tan thành những giọt mưa nếu nhiệt độ ở mức thấp hơn đủ ấm.

Quá trình Bergeron, nếu xảy ra, sẽ hiệu quả hơn trong việc tạo ra các hạt lớn hơn là sự tăng trưởng của các giọt lớn hơn với chi phí của các hạt nhỏ hơn, do chênh lệch áp suất bão hòa giữa nước lỏng và nước đá lớn hơn cường độ tăng cường áp suất bão hòa trên các giọt nhỏ (đối với các giọt đủ lớn để đóng góp đáng kể vào tổng khối lượng). Đối với các quá trình khác ảnh hưởng đến kích thước hạt, xem vật lý mưa và đám mây.

Lịch sử [ chỉnh sửa ]

Nguyên tắc phát triển băng thông qua sự lắng đọng hơi trên tinh thể băng với chi phí nước đầu tiên được đưa ra bởi nhà khoa học người Đức Alfred Wegener vào năm 1911 khi nghiên cứu về sự hình thành của sương mù . Wegener đưa ra giả thuyết rằng nếu quá trình này xảy ra trong các đám mây và các tinh thể phát triển đủ lớn để rơi ra, thì đó có thể là một cơ chế kết tủa khả thi. Trong khi công việc của ông với sự phát triển của tinh thể băng thu hút được sự chú ý, phải mất 10 năm nữa, ứng dụng của nó sẽ được công nhận. ^[1]

Vào mùa đông năm 1922, Tor Bergeron đã quan sát Trong khi đi bộ qua rừng. Ông nhận thấy rằng vào những ngày nhiệt độ dưới mức đóng băng, tầng tầng thường bao phủ sườn đồi dừng lại trên đỉnh của tán cây thay vì kéo dài xuống mặt đất như những ngày nhiệt độ trên mức đóng băng. Làm quen với công việc trước đây của Wegener, Bergeron đưa ra giả thuyết rằng các tinh thể băng trên cành cây đang quét hơi từ đám mây tầng siêu lạnh, ngăn không cho nó chạm đất.

Năm 1933, Bergeron được chọn tham dự cuộc họp của Hiệp hội trắc địa và địa vật lý quốc tế tại Lisbon, Bồ Đào Nha, nơi ông trình bày lý thuyết tinh thể băng của mình. Trong bài báo của mình, ông tuyên bố rằng nếu quần thể tinh thể băng nhỏ hơn đáng kể so với các giọt nước lỏng, thì các tinh thể băng có thể phát triển đủ lớn để rơi ra (giả thuyết ban đầu của Wegener). Bergeron đưa ra giả thuyết rằng quá trình này có thể chịu trách nhiệm cho tất cả mưa, ngay cả ở vùng khí hậu nhiệt đới; một tuyên bố gây ra khá nhiều bất đồng giữa các nhà khoa học nhiệt đới và vĩ độ trung bình. Vào cuối những năm 1930, nhà khí tượng học người Đức Walter Findeisen đã mở rộng và hoàn thiện công trình của Bergeron thông qua cả công việc lý thuyết và thực nghiệm.

Điều kiện bắt buộc [ chỉnh sửa ]

Điều kiện là số lượng các giọt phải lớn hơn nhiều so với số lượng tinh thể băng phụ thuộc vào tỷ lệ hạt nhân ngưng tụ của đám mây sau này (cao hơn trong đám mây) đóng vai trò là hạt nhân băng. Ngoài ra, một bản cập nhật đáng tin cậy phải đủ nhanh để sự siêu bão hòa cao gây ra sự tạo mầm tự phát của nhiều giọt hơn so với hạt nhân ngưng tụ đám mây. Trong cả hai trường hợp, điều này sẽ xảy ra không quá xa điểm đóng băng vì điều này sẽ gây ra sự tạo mầm trực tiếp của băng. Sự tăng trưởng của các giọt sẽ ngăn nhiệt độ sớm đạt đến điểm tạo mầm nhanh của các tinh thể băng.

Sự siêu bão hòa lớn hơn đối với băng, một khi có mặt, khiến nó phát triển nhanh do đó làm mất nước từ pha hơi. Nếu áp suất hơi
${displaystyle p}$
$p$ giảm xuống dưới áp suất bão hòa đối với nước lỏng
${ displaystyle p_ {w }}$
$p_w$ các giọt sẽ ngừng phát triển. Điều này có thể không xảy ra nếu
${ displaystyle p_ {w}}$
$p_w$ tự nó giảm xuống nhanh chóng, tùy thuộc vào độ dốc của đường cong bão hòa, tốc độ và tốc độ của bản cập nhật, hoặc nếu sự sụt giảm của
${ displaystyle p}$
$p$ là chậm, tùy thuộc vào số lượng và kích thước của các tinh thể băng. Nếu bản cập nhật quá nhanh, tất cả các giọt cuối cùng sẽ đóng băng thay vì bay hơi.

Một giới hạn tương tự gặp phải trong một bản hạ cấp. Nước lỏng bay hơi làm cho áp suất hơi
${ displaystyle p}$
$p$ tăng, nhưng nếu áp suất bão hòa đối với băng
${displaystyle p_{i}}$
$p_ {i}$ đang tăng quá nhanh trong quá trình hạ cấp, tất cả băng sẽ tan chảy trước khi các tinh thể băng lớn hình thành.

Korolev và Mazin ^[2] các biểu thức dẫn xuất cho tốc độ cập nhật và hạ cấp quan trọng:

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

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

trong đó η và các hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất,
${ displaystyle N_ {i}}$
$N_ {i}$ và
${ displaystyle N_ {w}}$
$N_ {w}$ là mật độ số lượng của các hạt băng và chất lỏng (tương ứng), và
${ displaystyle { thanh {r_ {i}}}}$
$bar {r_i}$ và
${ displaystyle { bar {r_ {w}}}}$
$ba r {r_w}$ là bán kính trung bình của các hạt băng và chất lỏng (tương ứng).

Đối với các giá trị của
${displaystyle N_{i}{bar {r_{i}}}}$
$N_i bar {r_i}$ điển hình của các đám mây,
${ displaystyle u_ {up}}$
$u_ {up}$ cm / s đến một vài m / s. Những vận tốc này có thể dễ dàng được tạo ra bởi sự đối lưu, sóng hoặc nhiễu loạn, cho thấy rằng không có gì lạ khi cả nước và băng lỏng phát triển đồng thời. Để so sánh, đối với các giá trị tiêu biểu của
${ displaystyle N_ {w} { bar {r_ {w}}}} [19659124] N_w bar {r_w} “/>vận tốc hạ cấp vượt quá một vài$ ${ displaystyle ms ^ {- 1}}$ $ms ^ {- 1}$ được yêu cầu cho cả chất lỏng và nước đá co lại đồng thời. [3] Những vận tốc này là phổ biến trong hạ cấp đối lưu, nhưng không phải là điển hình cho các đám mây tầng.

Sự hình thành của các tinh thể băng [ chỉnh sửa ]

Cách phổ biến nhất để hình thành một tinh thể băng bắt đầu bằng một hạt nhân băng trong đám mây. Các tinh thể băng có thể hình thành từ sự lắng đọng không đồng nhất, tiếp xúc, ngâm hoặc đóng băng sau khi ngưng tụ. Trong sự lắng đọng không đồng nhất, một hạt nhân băng được phủ đơn giản bằng nước. Khi tiếp xúc, các hạt nhân băng sẽ va chạm với các giọt nước đóng băng khi va chạm. Khi đóng băng, toàn bộ hạt nhân băng được bao phủ trong nước lỏng. ^[4]

Nước sẽ đóng băng ở các nhiệt độ khác nhau tùy thuộc vào loại hạt nhân băng hiện tại. Hạt nhân băng làm cho nước đóng băng ở nhiệt độ cao hơn so với tự nhiên. Để nước tinh khiết đóng băng một cách tự nhiên, được gọi là tạo mầm đồng nhất, nhiệt độ đám mây sẽ phải là −35 ° C (−31 ° F). ^[5] Dưới đây là một số ví dụ về hạt nhân băng:

Hạt nhân băng Nhiệt độ đóng băng

Vi khuẩn −2,6 ° C (27,3 ° F)

Kaolinite −30 ° C (−22 ° F)

Bạc iốt −10 ° C (14 ° F)

Vaterite −9 ° C (16 ° F)

Sự nhân lên của băng [ chỉnh sửa ]

Các tinh thể băng khác nhau xuất hiện cùng nhau trong một đám mây

Khi các tinh thể băng phát triển, chúng có thể va vào nhau và vỡ ra và vỡ ra, dẫn đến nhiều tinh thể băng mới. Có nhiều hình dạng của các tinh thể băng để va vào nhau. Những hình dạng này bao gồm hình lục giác, hình khối, cột và đuôi gai. Quá trình này được gọi là "Tăng cường băng" bởi các nhà vật lý và hóa học khí quyển. ^[6]

Tập hợp [ chỉnh sửa ]

Quá trình các tinh thể băng dính lại với nhau được gọi là tập hợp. Điều này xảy ra khi các tinh thể băng bị trơn hoặc dính ở nhiệt độ −5 ° C (23 ° F) trở lên, do có một lớp nước bao quanh tinh thể. Các kích cỡ và hình dạng khác nhau của tinh thể băng rơi ở các vận tốc đầu cuối khác nhau và thường va chạm và dính vào nhau.

Sự bồi đắp [ chỉnh sửa ]

Khi một tinh thể băng va chạm với nước siêu lạnh, nó được gọi là bồi tụ (hoặc viền). Các giọt nước đóng băng khi va chạm và có thể tạo thành graupel. Nếu graupel hình thành được giới thiệu lại vào đám mây bằng gió, nó có thể tiếp tục phát triển lớn hơn và dày đặc hơn, cuối cùng hình thành mưa đá. ^[6]

Lượng mưa [ chỉnh sửa ]

phát triển đủ lớn để rơi. Nó thậm chí có thể va chạm với các tinh thể băng khác và phát triển lớn hơn khi va chạm hợp nhất, tập hợp, hoặc bồi đắp.

Quá trình Bergeron thường dẫn đến lượng mưa. Khi các tinh thể phát triển và rơi xuống, chúng đi qua nền của đám mây, có thể ở trên mức đóng băng. Điều này làm cho các tinh thể tan chảy và rơi như mưa. Cũng có thể có một lớp không khí bên dưới đóng băng bên dưới nền tảng đám mây, khiến cho lượng mưa được làm mới lại dưới dạng các viên băng. Tương tự, lớp không khí bên dưới đóng băng có thể ở bề mặt, làm cho lượng mưa giảm xuống như mưa lạnh. Quá trình cũng có thể dẫn đến không có kết tủa, bay hơi trước khi nó chạm đất, trong trường hợp hình thành virga.

Xem thêm [ chỉnh sửa ]

Tài liệu tham khảo [ chỉnh sửa ]

^ Harper, Kristine (2007). Thời tiết và khí hậu: từng thập kỷ . Khoa học thế kỷ XX (minh họa ed.). Xuất bản Infobase. tr 74 747575. Sê-ri 980-0-8160-5535-7.

^ Korolev, A.V.; Mazin, I.P. (2003). "Sự siêu bão hòa của hơi nước trong các đám mây". J. Atmos. Khoa học . 60 : 2957 212974. Mã số: 2003JAtS … 60.2957K. doi: 10.1175 / 1520-0469 (2003) 060 2.0.CO; 2.

^ Korolev, Alexi (2006). "Những hạn chế của cơ chế Wegener Nhận Bergeron tầm Tìm kiếm trong sự phát triển của các đám mây pha hỗn hợp". J. Atmos. Khoa học . 64 : 3372 Từ3375. Mã số: 2007JAS … 64.3372K. doi: 10.1175 / JAS4035.1.

^ Hạt nhân băng trong các đám mây pha hỗn hợp Thomas F. Whale Đại học Leeds, Leeds, Vương quốc Anh, CHƯƠNG 2.1.1 Các chế độ của hạt nhân băng không đồng nhất

] Koop, T. (25 tháng 3 năm 2004). "Tạo mầm băng đồng nhất trong nước và dung dịch nước". Zeitschrift für Physikalische Chemie . 218 (11): 1231 Điêu1258. doi: 10.1524 / zpch.218.11.1231.50812 . Truy xuất 2008-04-07 .

^ ^a ^b Vi mô của mây và mưa. Pruppacher, Hans R., Klett, James, 1965

Wallace, John M. và Peter V. Hobbs: Khoa học khí quyển 2006. ISBN 0-12-732951-X

Yau, MK và Rodgers, R.R.: "Một khóa học ngắn về Vật lý đám mây", 1989. ISBN 0-7506-3215-1

Hạt nhân băng	Nhiệt độ đóng băng
Vi khuẩn	−2,6 ° C (27,3 ° F)
Kaolinite	−30 ° C (−22 ° F)
Bạc iốt	−10 ° C (14 ° F)
Vaterite	−9 ° C (16 ° F)