Коагуляция и коалесценция

Коагуляция и коалесценция в атмосфере

Физическая сущность процессов

Коагуляция и коалесценция — это два ключевых микрофизических процесса, играющих фундаментальную роль в эволюции облачных частиц и, в конечном счёте, в формировании осадков. Оба процесса связаны с объединением капель или частиц, но различаются по механизму:

  • Коагуляция — это объединение частиц (капель, кристаллов или аэрозолей) в результате их столкновений, вызванных броуновским движением, турбулентностью или дифференциальной скоростью осаждения.
  • Коалесценция — частный случай коагуляции, при котором происходит слияние двух жидких капель в одну после их столкновения.

Оба процесса существенно влияют на спектральный состав облаков и переход от облачной стадии к стадии выпадения осадков.

Механизмы столкновений капель

Процесс столкновения капель зависит от их относительных размеров и скоростей. Основные механизмы, способствующие столкновениям:

  1. Броуновское движение Доминирует для мельчайших капель диаметром менее 2 мкм. В этом диапазоне тепловое движение молекул приводит к случайным перемещениям капель, вызывая их столкновения. Однако эффективность коагуляции в этом режиме крайне низка из-за малых масс капель.

  2. Дифференциальное осаждение Более крупные капли осаждаются быстрее, чем мелкие. Это приводит к обгонам и столкновениям. Является главным механизмом роста капель в диапазоне от 10 до 50 мкм.

  3. Турбулентность воздуха Возмущения в воздушном потоке приводят к неоднородностям в скоростях движения капель, создавая условия для частых столкновений. Турбулентная коагуляция особенно значима при высоких вертикальных скоростях и в конвективных облаках.

  4. Гравитационная коагуляция Различие в массе и размере капель также ведёт к различиям в скоростях осаждения, увеличивая вероятность столкновений.

Эффективность коагуляции

Вероятность того, что столкновение капель приведёт к их слиянию, характеризуется коэффициентом захвата (эффективностью коагуляции). Он зависит от:

  • отношения радиусов сталкивающихся капель;
  • скорости их сближения;
  • поверхностного натяжения и вязкости воды;
  • наличия электростатического заряда на каплях;
  • окружающих условий (давление, температура, влажность).

Для капель с диаметрами менее 10 мкм коэффициент захвата может быть ниже 1%, в то время как для капель порядка 50 мкм и выше он может достигать 90–100%.

Коалесценция: особенности и динамика

Коалесценция требует, чтобы после столкновения капли прилипли друг к другу и сформировали единую каплю. Это требует преодоления гидродинамического сопротивления, возникающего из-за тонкой прослойки воздуха между сближающимися каплями. Процесс коалесценции включает несколько стадий:

  1. Сближение капель — под действием гравитации, турбулентности или броуновского движения.
  2. Сдавливание воздушной прослойки — при сближении капель образуется прослойка, препятствующая контакту. Её дренирование (удаление) необходимо для слияния.
  3. Образование мостика и перераспределение жидкости — как только жидкие поверхности вступают в контакт, возникает капиллярный мост, после чего происходит перераспределение объема, и формируется более крупная капля.

Процесс коалесценции сопровождается быстрым изменением кривизны поверхности капель, перераспределением давления и внутренними колебаниями поверхности (осцилляциями).

Роль электрических зарядов

Наличие электрических зарядов на каплях может существенно влиять на вероятность столкновений. Противоположные заряды способствуют притяжению и увеличивают вероятность коалесценции. Одноимённые заряды, наоборот, создают электростатическое отталкивание, препятствующее слиянию.

Электризация капель может происходить за счёт:

  • трибоэлектрического эффекта (при столкновениях);
  • индуцированного заряда от поля Земли;
  • процессов ионизации воздуха.

Спектральное развитие и рост капель

Рост капель за счёт коалесценции приводит к расширению спектра их размеров. При этом:

  • мелкие капли уменьшаются в численности (вовлекаются в более крупные);
  • крупные капли растут быстрее (эффект положительной обратной связи);
  • распределение становится всё более асимметричным с развитием «хвоста» в сторону крупных капель.

Это расширение спектра особенно важно на стадии перехода от облачной воды к формированию дождевых капель. Когда капли достигают критического размера (порядка 100 мкм и более), они начинают выпадать как осадки.

Коагуляция ледяных частиц

В ледяных облаках также возможна коагуляция — столкновения между кристаллами льда, снежинками, градинками. Эти процессы отличаются от водяных тем, что:

  • коалесценция невозможна: лед не сливается при контакте;
  • агрегирование (склеивание) происходит через замерзшую воду, деформацию, либо под действием воды на поверхности;
  • в турбулентных или сильно переохлаждённых условиях вероятность столкновений и объединения возрастает.

Аггрегаты могут достигать значительных размеров и способствовать выпадению снега или града.

Математическое описание процесса

Количественно коагуляцию описывает уравнение Смолуховского, представляющее собой кинетическое интегро-дифференциальное уравнение для эволюции функции распределения капель по размерам:

$$ \frac{\partial n(r,t)}{\partial t} = \frac{1}{2} \int_0^r K(r', r - r') n(r') n(r - r') dr' - n(r) \int_0^\infty K(r, r') n(r') dr' $$

где:

  • n(r, t) — концентрация капель радиуса r в момент времени t,
  • K(r1, r2) — ядро коагуляции, характеризующее вероятность столкновения капель радиусов r1 и r2.

Форма ядра K зависит от механизма коагуляции: броуновского, гравитационного или турбулентного.

Влияние на микрофизику облаков

Процессы коагуляции и коалесценции играют ключевую роль в преобразовании облака из состояния, состоящего из множества мелких капель, в структуру, содержащую макроскопические капли, способные выпадать как осадки. В частности:

  • в тёплых облаках (без льда) коалесценция — основной путь роста до дождевых капель;
  • в смешанных и ледяных облаках коагуляция и агрегирование способствуют росту кристаллов и снежинок;
  • эффективность осадкообразования тесно связана с интенсивностью коалесценции, что, в свою очередь, зависит от начального спектра капель, турбулентности и наличия аэрозолей.

Численное моделирование и наблюдения

Моделирование коагуляции требует учёта сложных нелинейных взаимодействий между каплями и высокоточной аппроксимации распределения частиц. В атмосферных моделях используются как параметрические схемы (с фиксированным спектром), так и спектральные модели, основанные на решении уравнения Смолуховского.

Наблюдения с использованием радиолокаторов, лидаров, зондов и лабораторных камер подтверждают ключевую роль коалесценции в переходе от облачной воды к дождю.

В реальных условиях, например, в тропических кучево-дождевых облаках, процесс коалесценции может развиться за считанные минуты, в то время как в слабоконвективных облаках — занимать десятки минут или вовсе не привести к осадкам.

Факторы, влияющие на эффективность коалесценции

  • Размерный спектр капель — широкий спектр способствует более частым столкновениям.
  • Турбулентность — увеличивает количество столкновений, особенно в нижней части облака.
  • Аэрозольные условия — при высоком содержании аэрозолей образуются более мелкие капли, что тормозит коалесценцию (эффект супермороховости).
  • Температурный профиль — влияет на вязкость, поверхностное натяжение и электропроводность капель.

Значение в климатических и метеорологических процессах

Понимание процессов коагуляции и коалесценции критически важно для прогноза осадков, оценки водного бюджета атмосферы, анализа взаимодействия облаков с излучением, а также для корректной параметризации в численных моделях погоды и климата. Их вклад в перераспределение водяного пара, тепла и энергии в атмосфере делает эти процессы фундаментальными в общей физике атмосферы.

Оглавление