Wegener – Bergeron – Findeisen süreci - Wegener–Bergeron–Findeisen process

Wegener-Bergeron-Findeisen işlemi (sonra Alfred Wegener , Tor Bergeron ve Walter Findeisen ) (veya "soğuk yağmur süreci") 'in bir karışımını ihtiva eden karışık fazlı bulutları ortaya çıkar buz kristali büyümesinin bir işlemdir ( aşırı soğutulmuş su ve buz ) çevre buhar basıncı arasında kalan bölgelerde doymuş buhar basıncı , su üzerinde ve buz üzerine düşük doyma buhar basıncının. Bu, sıvı su için doymamış bir ortamdır, ancak buz için aşırı doymuş bir ortam olup, sıvı suyun hızlı buharlaşmasına ve buhar biriktirme yoluyla hızlı buz kristali büyümesine neden olur . Buzun sayı yoğunluğu sıvı suya kıyasla küçükse, buz kristalleri buluttan düşecek kadar büyüyebilir ve düşük seviyeli sıcaklıklar yeterince sıcaksa yağmur damlalarında eriyebilir.

Bergeron işlemi, büyük parçacıkların üretilmesinde, daha küçük damlacıklar pahasına daha büyük damlacıkların büyümesinden çok daha etkilidir, çünkü sıvı su ve buz arasındaki doyma basıncındaki fark, doyma basıncının artmasından daha büyüktür. küçük damlacıkların üzerinde (toplam kütleye önemli ölçüde katkıda bulunmaya yetecek kadar büyük damlacıklar için). Parçacık boyutunu etkileyen diğer işlemler için yağmur ve bulut fiziğine bakın .

Tarih

Su pahasına buz kristalleri üzerinde buhar birikimi yoluyla buz büyümesi ilkesi, ilk olarak 1911'de kırağı oluşumunu incelerken Alman bilim adamı Alfred Wegener tarafından teorileştirildi . Wegener, eğer bu süreç bulutlarda meydana gelirse ve kristaller düşecek kadar büyürse, bunun uygulanabilir bir çökelme mekanizması olabileceğini teorileştirdi. Buz kristali büyümesi ile ilgili çalışmaları biraz dikkat çekerken, çökelmeye uygulanmasının tanınması 10 yıl daha alacaktı.

1922 kışında Tor Bergeron, ormanda yürürken meraklı bir gözlem yaptı. Sıcaklığın donma noktasının altında olduğu günlerde, tipik olarak yamaçları kaplayan stratus güvertesi , sıcaklığın donma noktasının üzerinde olduğu günlerde olduğu gibi yere doğru uzanmak yerine gölgeliğin tepesinde durduğunu fark etti . Wegener'ın daha önceki çalışmalarına aşina olan Bergeron, ağaç dallarındaki buz kristallerinin aşırı soğutulmuş stratus bulutundan buharı toplayarak onun yere ulaşmasını engellediğini teorileştirdi.

1933'te Bergeron, Portekiz'in Lizbon kentinde buz kristali teorisini sunduğu Uluslararası Jeodezi ve Jeofizik Birliği toplantısına katılmak üzere seçildi. Makalesinde, buz kristali popülasyonunun sıvı su damlacıklarına kıyasla önemli ölçüde küçük olması durumunda, buz kristallerinin düşecek kadar büyüyebileceğini belirtti (Wegener'ın orijinal hipotezi). Bergeron, bu sürecin tropikal iklimlerde bile tüm yağmurdan sorumlu olabileceğini teorize etti; tropikal ve orta enlem bilim adamları arasında oldukça anlaşmazlığa neden olan bir açıklama. 1930'ların sonlarında, Alman meteorolog Walter Findeisen, Bergeron'un çalışmasını hem teorik hem de deneysel çalışmalarla genişletti ve geliştirdi.

Gerekli koşullar

Damlacıkların sayısının buz kristallerinin sayısından çok daha fazla olması koşulu , daha sonra (bulutta daha yüksek) buz çekirdeği görevi görecek olan bulut yoğunlaşma çekirdeklerinin fraksiyonuna bağlıdır . Alternatif olarak, adyabatik bir yukarı doğru çekmenin yeterince hızlı olması gerekir, böylece yüksek süperdoyma, bulut yoğunlaşma çekirdeklerinin mevcut olduğundan çok daha fazla damlaların spontan çekirdeklenmesine neden olur. Her iki durumda da, doğrudan buzun çekirdeklenmesine neden olacağından, bu donma noktasının çok altında olmamalıdır. Damlacıkların büyümesi, sıcaklığın yakında buz kristallerinin hızlı çekirdeklenme noktasına ulaşmasını engelleyecektir .

Buza göre daha büyük süperdoyma, bir kez mevcut olduğunda, hızlı büyümesine neden olur ve böylece buhar fazındaki suyu temizler. Buhar basıncı , sıvı suya göre doyma basıncının altına düşerse , damlacıklar büyümeyi durduracaktır. Bu , doygunluk eğrisinin eğimine, atlama hızına ve yukarı çekmenin hızına bağlı olarak hızlı bir şekilde düşüyorsa veya buz kristallerinin sayısına ve boyutuna bağlı olarak düşüş yavaşsa gerçekleşmeyebilir. Yukarı çekiş çok hızlı olursa, tüm damlacıklar buharlaşmak yerine nihayet donacaktır. ${\ displaystyle p}$${\ displaystyle p_ {w}}$${\ displaystyle p_ {w}}$${\ displaystyle p}$

Aşağı çekimde benzer bir sınırla karşılaşılır. Sıvı su buharlaşarak buhar basıncının yükselmesine neden olur , ancak aşağı çekişte buza göre doyma basıncı çok hızlı yükselirse, büyük buz kristalleri oluşmadan önce tüm buz erir. ${\ displaystyle p}$${\ displaystyle p_ {i}}$

Korolev ve Mazin, kritik yukarı çekiş ve aşağı çekiş hızı için türetilmiş ifadeler:

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

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

burada η ve χ sıcaklık ve basınca bağlıdır katsayılarıdır, ve buz ve sıvı tanecikleri (sırasıyla) ait sayı yoğunlukları vardır ve ve buz ve sıvı tanecikleri (sırasıyla) ortalama yarıçapı vardır. ${\ displaystyle N_ {i}}$${\ displaystyle N_ {w}}$${\ displaystyle {\ bar {r_ {i}}}}$${\ displaystyle {\ bar {r_ {w}}}}$

Tipik bulut değerleri için, birkaç cm / s ile birkaç m / s arasında değişir. Bu hızlar konveksiyon, dalgalar veya türbülans ile kolaylıkla üretilebilir, bu da hem sıvı suyun hem de buzun aynı anda büyümesinin nadir olmadığını gösterir. Karşılaştırıldığında, hem sıvı hem de buzun aynı anda büzüşmesi için tipik değerlerde, birkaçın üzerinde aşağıya doğru çekiş hızları gereklidir. Bu hızlar, konvektif aşağı akımlarda yaygındır, ancak stratus bulutları için tipik değildir. ${\ displaystyle N_ {i} {\ bar {r_ {i}}}}$${\ displaystyle u_ {yukarı}}$${\ displaystyle N_ {w} {\ bar {r_ {w}}}}$${\ displaystyle ms ^ {- 1}}$

Buz kristallerinin oluşumu

Bir buz kristali oluşturmanın en yaygın yolu , buluttaki bir buz çekirdeğiyle başlar . Buz kristalleri, yoğuşmadan sonra heterojen çökelme , temas, daldırma veya donmadan oluşabilir. Heterojen birikimde, bir buz çekirdeği basitçe su ile kaplanır. Temas halinde buz çekirdekleri, çarpma anında donan su damlacıklarıyla çarpışacaktır. Daldırma dondurmada, buz çekirdeğinin tamamı sıvı su ile kaplanır.

Su, mevcut buz çekirdeğinin türüne bağlı olarak farklı sıcaklıklarda donacaktır. Buz çekirdekleri suyun kendiliğinden olacağından daha yüksek sıcaklıklarda donmasına neden olur. Homojen çekirdeklenme adı verilen saf suyun kendiliğinden donması için bulut sıcaklıklarının -35 ° C (-31 ° F) olması gerekir. İşte bazı buz çekirdeği örnekleri:

Buz çarpımı

Bir bulutta bir arada bulunan farklı buz kristalleri

Buz kristalleri büyüdükçe birbirlerine çarpabilir, parçalanabilir ve kırılabilir, bu da birçok yeni buz kristaliyle sonuçlanır. Birbirine çarpacak pek çok buz kristali şekli vardır . Bu şekiller arasında altıgenler, küpler, sütunlar ve dendritler bulunur. Bu süreç, atmosferik fizikçiler ve kimyagerler tarafından "buz geliştirme" olarak adlandırılır.

Toplama

Buz kristallerinin birbirine yapışması sürecine agregasyon denir. Bu, buz kristalleri 5 ° C (23 ° F) ve üzerindeki sıcaklıklarda kristali çevreleyen su tabakası nedeniyle kaygan veya yapışkan olduğunda meydana gelir. Buz kristallerinin farklı boyutları ve şekilleri, farklı son hızlarda düşer ve genellikle çarpışır ve yapışır.

Birikim

Bir buz kristali aşırı soğutulmuş su damlacıklarıyla çarpıştığında buna toplanma (veya kenar) adı verilir. Damlacıklar çarpma üzerine donar ve graupel oluşturabilir . Oluşan graupel rüzgarla buluta yeniden verilirse, daha büyük ve daha yoğun büyümeye devam edebilir ve sonunda dolu oluşturabilir .

Yağış

Sonunda bu buz kristali düşecek kadar büyüyecek. Hatta diğer buz kristalleri ile çarpışabilir ve çarpışma birleşmesi , kümelenmesi veya birikmesi yoluyla daha da büyüyebilir .

Bergeron süreci genellikle çökelmeye neden olur. Kristaller büyüyüp düştükçe, donma noktasının üzerinde olabilen bulut tabanından geçerler. Bu, kristallerin erimesine ve yağmur gibi düşmesine neden olur. Ayrıca bulut tabanının altında donma noktasının altında bir hava katmanı olabilir ve bu da çökeltinin buz topakları şeklinde yeniden donmasına neden olur . Benzer şekilde, donma noktasının altındaki hava tabakası yüzeyde olabilir ve çökeltinin dondurucu yağmur olarak düşmesine neden olabilir . İşlem aynı zamanda, virga oluşumu durumunda, yere ulaşmadan önce buharlaşarak çökelmeyle sonuçlanabilir .

Ayrıca bakınız

• Meteoroloji konularının listesi
• Yağış (meteoroloji)
• Birleşme (meteoroloji)
• Buz çekirdeği
• buz
• Çekirdeklenme
• Fiziksel buhar biriktirme
• Doygun buhar basıncı

Referanslar

• Wallace, John M. ve Peter V. Hobbs: Atmosfer Bilimi , 2006. ISBN   0-12-732951-X
• Yau, MK ve Rodgers, RR: "Bulut Fiziğinde Kısa Bir Kurs", 1989. ISBN   0-7506-3215-1

Dış bağlantılar

• Bergeron Sürecinin Gösterilmesi