Физика облаков - Cloud physics

Физика облаков - это изучение физических процессов, которые приводят к образованию, росту и выпадению атмосферных облаков. Эти аэрозоли находятся в тропосфере , стратосфере и мезосфере , которые в совокупности составляют большую часть гомосферы . Облака состоят из микроскопических капель жидкой воды (теплые облака), крошечных кристаллов льда (холодные облака) или того и другого (облака смешанной фазы). Капли облаков первоначально образуются в результате конденсации водяного пара на зародышах конденсации, когда пересыщение воздуха превышает критическое значение согласно теории Келера . Ядра облачной конденсации необходимы для образования облачных капель из-за эффекта Кельвина , который описывает изменение давления насыщенного пара из-за искривленной поверхности. При малых радиусах количество пересыщения, необходимое для возникновения конденсации, настолько велико, что этого не происходит естественным образом. Закон Рауля описывает, как давление пара зависит от количества растворенного вещества в растворе. При высоких концентрациях, когда облачные капли маленькие, необходимое пересыщение меньше, чем без зародыша.

В теплых облаках более крупные облачные капли падают с более высокой конечной скоростью; потому что при данной скорости сила сопротивления на единицу веса капли на более мелких каплях больше, чем на больших каплях. Затем крупные капли могут сталкиваться с мелкими каплями и объединяться, образуя еще более крупные капли. Когда капли становятся настолько большими, что их скорость движения вниз (относительно окружающего воздуха) больше, чем скорость движения вверх (относительно земли) окружающего воздуха, капли могут выпадать в виде осадков . Столкновение и слияние не так важно в облаках со смешанной фазой, где преобладает процесс Бержерона . Другими важными процессами, образующими осадки, являются обрамление , когда капля переохлажденной жидкости сталкивается с твердой снежинкой, и агрегация, когда две твердые снежинки сталкиваются и объединяются. Точная механика формирования и роста облака до конца не изучена, но ученые разработали теории, объясняющие структуру облаков, изучая микрофизику отдельных капель. Достижения в области метеорологических радиолокаторов и спутниковых технологий также позволили точно изучать облака в крупном масштабе.

История физики облаков

Современная физика облаков началась в 19 веке и описана в нескольких публикациях. Отто фон Герике принадлежит к идее, что облака состоят из пузырьков воды. В 1847 году Август Валлер использовал паутину, чтобы исследовать капли под микроскопом. Эти наблюдения были подтверждены Уильямом Генри Дайнсом в 1880 году и Ричардом Ассманном в 1884 году.

Образование облаков: как воздух становится насыщенным

Охлаждение воздуха до точки росы

Эволюция облаков менее чем за минуту.
Поздний летний ливень в Дании . Почти черный цвет основания указывает на главное облако на переднем плане, вероятно, кучево-дождевые .

Адиабатическое охлаждение: поднимающиеся пакеты влажного воздуха

Когда вода испаряется с некоторого участка поверхности Земли, воздух над этой областью становится влажным. Влажный воздух легче окружающего сухого воздуха, что создает нестабильную ситуацию. Когда накопится достаточно влажного воздуха, весь влажный воздух поднимается единым пакетом, не смешиваясь с окружающим воздухом. По мере того, как на поверхности образуется более влажный воздух, процесс повторяется, в результате чего серия отдельных пакетов влажного воздуха поднимается, образуя облака.

Этот процесс происходит, когда один или несколько из трех возможных подъемных агентов - циклонического / фронтального, конвективного или орографического - заставляют воздух, содержащий невидимый водяной пар, подниматься и охлаждаться до точки росы , температуры, при которой воздух становится насыщенным. Основным механизмом этого процесса является адиабатическое охлаждение . Атмосферное давление уменьшается с высотой, поэтому поднимающийся воздух расширяется в процессе, который расходует энергию и вызывает охлаждение воздуха, в результате чего водяной пар конденсируется в облако. Водяной пар в насыщенном воздухе обычно притягивается к ядрам конденсации, таким как частицы пыли и соли , которые достаточно малы, чтобы удерживаться в воздухе при нормальной циркуляции воздуха. Капли воды в облаке имеют нормальный радиус около 0,002 мм (0,00008 дюйма). Капли могут сталкиваться с образованием более крупных капель, которые остаются в воздухе до тех пор, пока скорость поднимающегося воздуха внутри облака равна или превышает конечную скорость капель.

Для неконвективных облаков высота, на которой начинается конденсация, называется поднятым уровнем конденсации (LCL), который примерно определяет высоту основания облака. Свободные конвективные облака обычно образуются на высоте уровня конвективной конденсации (CCL). Водяной пар в насыщенном воздухе обычно притягивается к ядрам конденсации, таким как частицы соли , которые достаточно малы, чтобы удерживаться в воздухе при нормальной циркуляции воздуха. Если процесс конденсации происходит ниже уровня замерзания в тропосфере, ядра помогают преобразовать пар в очень маленькие капли воды. Облака, которые образуются чуть выше уровня замерзания, состоят в основном из капель переохлажденной жидкости, а те, которые конденсируются на больших высотах, где воздух намного холоднее, обычно принимают форму кристаллов льда . Отсутствие достаточного количества частиц конденсации на уровне конденсации и выше приводит к тому, что поднимающийся воздух становится перенасыщенным, и образование облаков имеет тенденцию подавляться.

Фронтальный и циклонный подъемник

Фронтальная и циклоническая подъёмная сила проявляются в чистом виде, когда стабильный воздух, который подвергался незначительному нагреву поверхности или не подвергался никакому нагреву, поднимается вверх на атмосферных фронтах и вокруг центров низкого давления . Теплые фронты, связанные с внетропическими циклонами, имеют тенденцию генерировать в основном усовидные и слоистые облака на обширной территории, если только приближающаяся теплая воздушная масса не является нестабильной; в этом случае скопление кучевых облаков или кучево-дождевые облака обычно встраиваются в основной слой осаждающих облаков. Холодные фронты обычно движутся быстрее и образуют более узкую линию облаков, которые в основном слоисто-кучевые, кучево-дымчатые или кучево-дождевые, в зависимости от стабильности теплой воздушной массы перед фронтом.

Конвективный лифт

Другой фактор - это всплывающее конвективное восходящее движение, вызванное значительным дневным солнечным нагревом на уровне поверхности или относительно высокой абсолютной влажностью. Поступающее коротковолновое излучение, генерируемое Солнцем, переизлучается как длинноволновое излучение, когда достигает поверхности Земли. Этот процесс нагревает воздух, ближайший к земле, и увеличивает нестабильность воздушных масс, создавая более крутой температурный градиент от теплого или горячего на уровне поверхности до холода на высоте. Это заставляет его подниматься и охлаждаться до тех пор, пока не будет достигнуто температурное равновесие с окружающим воздухом в воздухе. Умеренная нестабильность позволяет формировать кучевые облака умеренного размера, которые могут давать легкие ливни, если воздушная масса достаточно влажная. Типичные восходящие потоки конвекции могут позволить каплям вырасти до радиуса примерно 0,015 миллиметра (0,0006 дюйма) перед выпадением в виде дождя. Эквивалентный диаметр этих капель составляет около 0,03 миллиметра (0,001 дюйма).

Если воздух у поверхности становится чрезвычайно теплым и нестабильным, его движение вверх может стать довольно взрывным, что приведет к образованию высоких кучево-дождевых облаков, которые могут вызвать суровую погоду . Как крошечные частицы воды, которые составляют облако, группируются вместе, образуя капли дождя, они притягиваются к земле под действием силы тяжести . Капли обычно испаряются ниже уровня конденсации, но сильные восходящие потоки сдерживают падающие капли и могут удерживать их в воздухе намного дольше, чем в противном случае. Сильные восходящие потоки могут достигать скорости до 180 миль в час (290 км / ч). Чем дольше капли дождя остаются в воздухе, тем больше у них времени, чтобы превратиться в более крупные капли, которые в конечном итоге выпадают в виде сильного ливня.

Капли дождя, которые поднимаются намного выше точки замерзания, сначала переохлаждены, а затем замерзают и превращаются в мелкий град. Замерзшее ледяное ядро ​​может увеличиваться в размере 0,5 дюйма (1,3 см), проходя через один из этих восходящих потоков, и может проходить через несколько восходящих и нисходящих потоков, прежде чем, наконец, стать настолько тяжелым, что оно упадет на землю в виде большого града. Если разрезать градину пополам, видны слои льда, похожие на луковицу, что указывает на определенные моменты времени, когда градина проходила через слой переохлажденной воды. Были найдены градины диаметром до 7 дюймов (18 см).

Конвективный подъем может возникать в нестабильной воздушной массе вдали от любых фронтов. Тем не менее, очень теплый нестабильный воздух может также присутствовать вокруг фронтов и центров низкого давления, часто создавая кучевые и кучево-дождевые облака в более тяжелых и более активных концентрациях из-за сочетания фронтальных и конвективных подъемных агентов. Как и в случае нефронтовой конвективной подъемной силы, возрастающая нестабильность способствует росту восходящих вертикальных облаков и повышает вероятность суровой погоды. В сравнительно редких случаях конвективный подъем может быть достаточно мощным, чтобы проникнуть через тропопаузу и вытолкнуть верхушку облака в стратосферу.

Орографический подъемник

Третий источник подъемной силы - это циркуляция ветра, заставляющая воздух преодолевать физический барьер, такой как гора ( орографический подъемник ). Если воздух в целом стабильный, не будет образовываться ничего, кроме линзообразных облаков. Однако, если воздух станет достаточно влажным и нестабильным, могут появиться орографические дожди или грозы .

Ветреные вечерние сумерки, усиленные углом наклона Солнца, могут визуально имитировать торнадо, вызванное орографическим подъемом.

Неадиабатическое охлаждение

Наряду с адиабатическим охлаждением, для которого требуется подъемный агент, существуют три других основных механизма понижения температуры воздуха до точки росы, все из которых происходят вблизи уровня поверхности и не требуют подъема воздуха. Кондуктивное, радиационное и испарительное охлаждение может вызвать конденсацию на уровне поверхности, что приведет к образованию тумана . Кондуктивное охлаждение происходит, когда воздух из относительно мягкой области источника вступает в контакт с более холодной поверхностью, например, когда мягкий морской воздух движется по более холодной области суши. Радиационное охлаждение происходит из-за испускания инфракрасного излучения воздухом или находящейся под ним поверхностью. Этот тип охлаждения обычно используется ночью, когда небо чистое. Испарительное охлаждение происходит, когда влага добавляется к воздуху в результате испарения, что заставляет температуру воздуха охлаждаться до температуры влажного термометра , а иногда и до точки насыщения.

Добавление влаги в воздух

Есть пять основных способов добавления водяного пара в воздух. Повышенное содержание пара может быть результатом схождения ветра над водой или влажной почвой в областях с восходящим движением. Осадки или падающая сверху вирга также увеличивает влажность. Дневное отопление вызывает испарение воды с поверхности океанов, водоемов или влажных земель. Транспирация растений - еще один типичный источник водяного пара. Наконец, прохладный или сухой воздух, проходящий над более теплой водой, станет более влажным. Как и в случае дневного отопления, добавление влаги в воздух увеличивает его теплосодержание и нестабильность, а также помогает запустить те процессы, которые приводят к образованию облаков или тумана.

Пересыщение

Количество воды, которое может существовать в виде пара в данном объеме, увеличивается с температурой. Когда количество водяного пара находится в равновесии над плоской поверхностью воды, уровень давления пара называется насыщением, а относительная влажность составляет 100%. В этом равновесии количество молекул, испаряющихся из воды, равно количеству молекул, конденсирующихся обратно в воду. Если относительная влажность становится больше 100%, это называется перенасыщенным. Перенасыщение происходит в отсутствие ядер конденсации.

Поскольку давление насыщенного пара пропорционально температуре, холодный воздух имеет более низкую точку насыщения, чем теплый воздух. Разница между этими значениями является основой образования облаков. Когда насыщенный воздух охлаждается, он больше не может содержать такое же количество водяного пара. Если условия подходящие, избыток воды будет конденсироваться из воздуха до тех пор, пока не будет достигнута нижняя точка насыщения. Другая возможность состоит в том, что вода остается в форме пара, даже если она превышает точку насыщения, что приводит к перенасыщению .

Перенасыщение более 1-2% по отношению к воде в атмосфере наблюдается редко, поскольку обычно присутствуют облачные ядра конденсации. В чистом воздухе возможны гораздо более высокие степени перенасыщения, которые лежат в основе камеры Вильсона .

Нет приборов для измерения пересыщения в облаках.

Переохлаждение

Капли воды обычно остаются жидкой водой и не замерзают даже при температуре ниже 0 ° C (32 ° F). Ядра льда, которые могут присутствовать в атмосферной капле, становятся активными для образования льда при определенных температурах от 0 ° C (32 ° F) до -38 ° C (-36 ° F), в зависимости от геометрии и состава ядра. Без ледяных ядер капли переохлажденной воды (как и любая чрезвычайно чистая жидкая вода) могут существовать до температуры примерно -38 ° C (-36 ° F), при которой происходит самопроизвольное замерзание.

Столкновение-слияние

Одна из теорий, объясняющих, как поведение отдельных капель в облаке приводит к образованию осадков, - это процесс столкновения-слияния. Капли, взвешенные в воздухе, будут взаимодействовать друг с другом, либо сталкиваясь и отскакивая друг от друга, либо объединяясь с образованием более крупной капли. В конце концов, капли становятся настолько большими, что падают на землю в виде осадков. Процесс столкновения-слияния не составляет значительной части образования облаков, поскольку капли воды имеют относительно высокое поверхностное натяжение. Кроме того, возникновение столкновения-коалесценции тесно связано с процессами уноса-перемешивания.

Бержеронский процесс

Первичный механизм образования ледяных облаков был открыт Тор Бержерон . В процессе Бержерона отмечается, что давление насыщенного пара воды или количество водяного пара, которое может содержать данный объем, зависит от того, с чем взаимодействует пар. В частности, давление насыщенного пара по отношению ко льду ниже, чем давление насыщенного пара по отношению к воде. Водяной пар, взаимодействующий с каплей воды, может быть насыщенным при относительной влажности 100% при взаимодействии с каплей воды, но такое же количество водяного пара может быть перенасыщенным при взаимодействии с частицей льда. Водяной пар будет пытаться вернуться к равновесию , поэтому дополнительный водяной пар будет конденсироваться в лед на поверхности частицы. Эти частицы льда превращаются в ядра более крупных кристаллов льда. Этот процесс происходит только при температуре от 0 ° C (32 ° F) до -40 ° C (-40 ° F). Ниже -40 ° C (-40 ° F) жидкая вода самопроизвольно зарождается и замерзает. Поверхностное натяжение воды позволяет капле оставаться в жидком состоянии при температуре значительно ниже ее нормальной точки замерзания. Когда это происходит, это теперь переохлажденная жидкая вода. Процесс Бержерона основан на взаимодействии переохлажденной жидкой воды (SLW) с ядрами льда с образованием более крупных частиц. Если ядер льда немного по сравнению с количеством SLW, капли не смогут образоваться. Процесс, при котором ученые засевают облако ядрами искусственного льда, чтобы стимулировать выпадение осадков, известен как засева облаков. Это может способствовать выпадению осадков в облаках, которые в противном случае могут не попасть в дождь. При засеве облаков добавляются избыточные ядра искусственного льда, что смещает баланс так, что имеется много ядер по сравнению с количеством переохлажденной жидкой воды. Излишне засеянное облако образует множество частиц, но каждая из них будет очень маленькой. Это может быть сделано в качестве превентивной меры для районов, подверженных риску града .

Классификация облаков

Облака в тропосфере , ближайшем к Земле слое атмосферы, классифицируются в зависимости от высоты, на которой они находятся, а также их формы или внешнего вида. Есть пять форм, основанных на физической структуре и процессе формирования. Круговидные облака высокие, тонкие и тонкие, и наиболее часто они видны по передним краям организованных погодных возмущений. Многослойные облака неконвективны и выглядят как обширные пластинчатые слои, от тонких до очень толстых со значительным вертикальным развитием. В основном они являются результатом крупномасштабного подъема стабильного воздуха. Неустойчивые свободно-конвективные кучевые облака образуют в основном локализованные кучи. Слоисто-кучевые облака с ограниченной конвекцией демонстрируют сочетание кучевых и слоистых характеристик, которые проявляются в виде рулонов или ряби. Сильноконвективные кучево-дождевые облака имеют сложную структуру, часто включающую усиковидные вершины и слоисто-кучевые дополнительные облака.

Эти формы перекрестно классифицируются по диапазону высот или уровню на десять типов родов, которые можно подразделить на виды и меньшие типы. Высокие облака образуются на высоте от 5 до 12 километров. Все усовидные облака классифицируются как высокоуровневые и поэтому составляют единый род перистых облаков . К названиям слоистых и слоисто-кучевых облаков на верхнем уровне тропосферы добавляется приставка cirro-, дающая роды cirrostratus и cirrocumulus . Подобные облака, обнаруженные на среднем уровне (диапазон высот от 2 до 7 километров), имеют приставку alto-, в результате чего род назван altostratus и altocumulus .

Облака низкого уровня не имеют префиксов, связанных с высотой, поэтому слоистые и слоисто- кучевые облака, расположенные на расстоянии около 2 километров или ниже, известны просто как слоистые и слоисто-кучевые . Небольшие кучевые облака с небольшим вертикальным развитием (виды humilis) также обычно классифицируются как низкоуровневые.

Кучевоформные и кучево-дождевидные кучи и глубокие слоистые слои часто занимают по крайней мере два тропосферных уровня, и самый большой или самый глубокий из них может занимать все три уровня. Они могут быть классифицированы как низкие или средние, но также обычно классифицируются или характеризуются как вертикальные или многоуровневые. Нимбослоистые облака представляют собой слоистые слои с достаточной вертикальной протяженностью, способной производить значительные осадки. Возвышающиеся кучевые облака (виды congestus) и кучево-дождевые облака могут образовываться где угодно от поверхности до средней высоты около 3 километров. Из вертикально развитых облаков кучево-дождевые облака являются самыми высокими и могут практически охватывать всю тропосферу от нескольких сотен метров над землей до тропопаузы. Это облако, ответственное за грозы.

Некоторые облака могут формироваться на очень высоких или экстремальных уровнях над тропосферой, в основном над полярными регионами Земли. Полярные стратосферные облака наблюдаются, но редко зимой на высотах от 18 до 30 километров, тогда как летом серебристые облака иногда образуются в высоких широтах на высоте от 76 до 85 километров. Эти полярные облака имеют некоторые из форм, наблюдаемых ниже в тропосфере.

Типы гомосферы определяются перекрестной классификацией форм и уровней .

Формы и уровни СТРАТИФОРМНЫХ
неконвективный
Круглые в
основном неконвективные
Слоисто
- кучевые ограниченно-конвективные
Кумулятивная
свободно-конвективная
Кучево
- дождевые сильноконвективные
Экстремальный уровень PMC : серебристые вуали Серебристые волны или водовороты Серебристые полосы
Очень высокий уровень Азотная кислота и вода PSC Цирриформный перламутровый ПСХ Чечевицеобразный перламутровый ПСХ
Высокий уровень Перисто-слоистые Cirrus Перисто-кучевые облака
Средний уровень Альтостратус Высококучевые облака
Низкий уровень Стратус Слоисто-кучевые Кучевые облака или перелом
Многоуровневая или умеренная вертикаль Нимбостратус Кучевые средние
Возвышающийся вертикальный Кучевые облака Кучево-дождевые облака

Гомосферные типы включают десять тропосферных родов и несколько дополнительных основных типов над тропосферой. Род кумулюсов включает четыре вида, которые имеют вертикальный размер и структуру.

Определение свойств

Спутники используются для сбора данных о свойствах облаков и другой информации, такой как количество облаков, высота, коэффициент излучения в ИК-диапазоне, видимая оптическая глубина, обледенение, эффективный размер частиц как для жидкости, так и для льда, а также температура и давление верхней части облака.

Обнаружение

Наборы данных о свойствах облаков собираются с помощью спутников, таких как MODIS , POLDER , CALIPSO или ATSR . Инструменты измеряют яркость облаков, из которых можно получить соответствующие параметры. Обычно это делается с помощью обратной теории .

Метод обнаружения основан на том факте, что облака кажутся ярче и холоднее, чем поверхность земли. Из-за этого возникают трудности с обнаружением облаков над яркими (сильно отражающими ) поверхностями, такими как океаны и лед.

Параметры

Значение определенного параметра тем надежнее, чем больше спутников измеряют этот параметр. Это связано с тем, что диапазон ошибок и игнорируемых деталей варьируется от прибора к прибору. Таким образом, если анализируемый параметр имеет одинаковые значения для разных инструментов, считается, что истинное значение лежит в диапазоне, заданном соответствующими наборами данных.

В эксперименте « Глобальный цикл энергии и воды» используются следующие величины для сравнения качества данных с разных спутников с целью надежной количественной оценки свойств облаков:

  • облачности или количество облаков со значениями от 0 до 1
  • температура облака в облаке вершине в пределах от 150 до 340 К
  • давление облака на вершине 1013 - 100 гПа
  • высоты облаков , измеренные над уровнем моря, в пределах от 0 до 20 км
  • облака ИК излучательная , со значениями от 0 до 1, при этом в глобальном среднем около 0,7
  • эффективное количество облаков , количество облаков , взвешенное в облаке ИК теплоотдаче, с глобальным средним 0,5
  • облако (видимая) оптическая глубина варьируется в пределах от 4 до 10.
  • путь воды облака для жидких и твердых (льда) фаз частиц облака
  • облака эффективного размера частиц и для жидкости и льда, в пределах от 0 до 200 мкм

Обледенение

Еще одним важным свойством является обледенение различных типов облаков на разных высотах, что может иметь большое влияние на безопасность полета. Методологии, используемые для определения этих характеристик, включают использование данных CloudSat для анализа и извлечения условий обледенения, определение местоположения облаков с использованием геометрических данных и данных отражательной способности, идентификацию типов облаков с использованием данных классификации облаков и определение вертикального распределения температуры вдоль трека CloudSat. (GFS).

Диапазон температур, при которых могут возникать условия обледенения, определяется в зависимости от типа облаков и уровней высоты:

Слоисто-кучевые и слоистые облака низкого уровня могут вызывать обледенение в диапазоне температур от 0 до -10 ° C.
Для среднеуровневых высококучевых и высокослоистых облаков диапазон составляет от 0 до -20 ° C.
Вертикальные или многоуровневые кучевые, кучево-дождевые и нимбостатус создают обледенение в диапазоне от 0 до -25 ° C.
Высокие перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые облака обычно не вызывают обледенения, поскольку состоят в основном из кристаллов льда, температура которых ниже -25 ° C.

Сплоченность и растворение

В гомосфере (включая тропосферу, стратосферу и мезосферу) действуют силы, которые могут влиять на структурную целостность облака. Было высказано предположение, что до тех пор, пока воздух остается насыщенным, естественная сила сцепления, которая удерживает молекулы вещества вместе, может удерживать облако от разрушения. Однако это предположение имеет логический недостаток в том, что капли воды в облаке не контактируют друг с другом и, следовательно, не удовлетворяют условию, необходимому для действия межмолекулярных сил когезии. Растворение облака может происходить, когда процесс адиабатического охлаждения прекращается и подъем воздуха вверх заменяется опусканием . Это приводит, по крайней мере, к некоторой степени адиабатического нагревания воздуха, что может привести к тому, что облачные капли или кристаллы снова превратятся в невидимый водяной пар. Более сильные силы, такие как сдвиг ветра и нисходящие потоки, могут воздействовать на облако, но они в основном ограничены тропосферой, где происходит почти вся погода на Земле. Типичное кучевое облако весит около 500 метрических тонн, или 1,1 миллиона фунтов, что равно весу 100 слонов.

Модели

Существуют две основные схемы моделей, которые могут представлять физику облаков, наиболее распространенными являются модели объемной микрофизики, в которых используются средние значения для описания свойств облаков (например, содержания дождевой воды, содержания льда), свойства могут представлять только первый порядок (концентрацию) или также второго порядка (масса). Второй вариант - использовать схему бункерной микрофизики, которая сохраняет моменты (массу или концентрацию) разными для разных размеров частиц. Модели объемной микрофизики намного быстрее, чем модели бункеров, но менее точны.

Смотрите также

использованная литература