Fizyka deszczu

Fizyka deszczu
Filip Fijałkowski
Jacek Grela
WFiIS, marzec 2009
Czym się zajmiemy
●
Słowo wstępu
●
Powstawanie chmur
●
Deszcz jako wynik kondensacji i koalescencji
●
Alternatywne sposoby powstania opadu
●
Czego nie wiemy oraz ciekawostka
Słowo wstępu
Co to jest deszcz?
Rola w środowisku
Słowo wstępu
Warunek konieczny : Chmury
●
●
W powietrzu jest para wodna!
Aby pojawiła się faza ciekła, powietrze musi
ulec oziębieniu.
WK: Chmury
●
●
Barwny podział
meteorologiczny
Ogólna
charakterystyka
WK: Chmury
W środowisku ochładzanie zachodzi
dzięki:
●
Konwekcji
●
Rzeźbie terenu
●
Kontakcie mas powietrza
●
Adwekcji
WK: Chmury
Konwekcja
●
Ciepłe powietrze unosi się, zimne opada
●
Ze wzrostem wysokości temperatura spada!
●
Para skrapla się
●
Wynik: cumulusy
WK: Chmury
Rzeźba terenu
●
Góry lub wzgórza powodują unoszenie się
powietrza
WK: Chmury
Kontakt mas powietrza
●
●
Unoszenie ciepłego powietrza „na grzbiecie”
zimnego
Wynikiem są cirrusy
WK: Chmury
Adwekcja
●
●
Poziomy ruch mas
powietrza
Odpowiedzialna za
powstawanie mgły
Kondensacja
●
Para wodna „sama z siebie” ciężko kondensuje.
●
Równanie Kelvina

2V m
p s = p 0 exp
r RT
●
●
Przesycenie

pv − p s
s=
ps
Do powstania kropli niezbędne nieskończone
przesycenie (eksperyment: ~700%)
Kondensacja
●
Wyjściem z sytuacji są tzw. jądra kondensacji
(r = 0.2 μm)
●
Za ich pomocą kondensacja przy przesyceniu
~1%
Intensywność zależy od:
●
Rozmiar
●
Higroskopijność
●
Skład chemiczny
Jądra kondensacji
●
Pomiary wykonane na stratocumulusach nad
Pacyfikiem
Deszcz!
●
Krople deszczowe powstają z chmurowych
D [μm] – średnica
N [1/m^3] – koncentracja
Deszcz!
●
Kondensacja jest procesem powolnym...
Dla s = 0.05%
...tymczasem krople deszczowe mogą się
utworzyć w kilka godzin (nawet w 30 min!)
Deszcz!
●
Ogólnie promień kropli rośnie według prostego
wzoru:
2  M 8.6 m
s−

l RT r W r3
dr 1
=
dt r l R T l L L M

−1
pc
KT RT

●

uwzględniono wpływ jądra kondensacji oraz
krzywiznę powierzchni
Deszcz!
●
Dla kropli dużych:
dr s
∝
dt r
●
W praktyce, w ciągu życia chmury kropla
mogłaby osiągnąć w tym procesie maksymalnie
r=30 μm
Koalescencja
●
Koalescencja - łączenie się
kropel
V∝r
●
2
Ek jest przekrojem czynnym na
zajście kolizji (!)
E k=
y
2
c
Rr
2
Koalescencja
●
Szybkość wzrostu kropli w wyniku
wspomnianych zderzeń wyraża
wzór:
2
E
E
dR
k
c  Rr 
=
V R −v r  w
2
dt
4
R
Gdzie Ek – efektywność kolizji, Ec – efektywność
koalescencji, w – stosunek objętości kropli r do R
●
Efektywność kolekcji E = Ek * Ec
Koalescencja
●
Zależność E od promieni kropel R i r (teoria
Hocking i Jonas)
Podsumowując
●
●
●
Dzięki kondensacji oraz koalescencji deszcze
powstają w przeciągu godzin
Niestety, istnieją opady formujące się w mniej
niż godzinę
Wyjaśnienie: turbulencje wewnątrz chmury
deszczowej (hipotezy) lub ...
Lód w chmurach
●
●
Niewielkie liczby dużych kropel „inicjujących”
mogłyby wyjaśnić zjawisko deszczu nagłego
Reakcja łańcuchowa
Lód w chmurach
●
●
●
Obiekty spełniające: cząsteczki lodu
Niestety, nie powstają samoistnie (w praktyce
dopiero od -40 st. C)
Pomoc: jądra zamarzania
Lód w chmurach
●
Przesycenie względem lodu wyraża się
wzorem:
s=0.9T
Gdzie T – temp. przechłodzenia (w st. Celsjusza)
i jest większe od przesycenia względem wody
●
Więc znaczne przyspieszenie procesu
Lód w chmurach
●
●
●
Koncentracja jąder zamarzania kluczowa
Gdy zbyt mała, powstanie za mało kryształków
lodu
Gdy zaś zbyt duża, efektywność procesu
spadnie
Lód w chmurach
●
Proces dalszy jest analogiczny
●
Różnica: z lodu może powstać śnieg!
Czego nie wiemy?
●
Szybkie i ciepłe deszcze
●
Co z turbulencją?
●
Z których chmur pada deszcz?
Ciekawostka
●
Manipulacja opadami
Zapylanie - bombardowanie
jodkiem srebra bądź suchym
lodem
Związki chłodzące –
zwiększanie ilości kropel
kosztem rozmiaru
Dziękujemy za uwagę