Микрофизика облаков

Основные микрофизические процессы в облаках

Облачная микрофизика изучает физические процессы, происходящие на уровне микроскопических частиц — капель воды и кристаллов льда, составляющих облака. Микрофизика определяет структуру облака, его продолжительность жизни, оптические свойства и способность к выпадению осадков. Основные явления включают конденсацию, испарение, сублимацию, агрегацию, коалесценцию, фрагментацию и замерзание. Эти процессы тесно связаны с параметрами окружающей атмосферы: температурой, давлением, влажностью и наличием ядер конденсации и кристаллизации.

Физика капель: зарождение и рост

Формирование капель начинается с гетерогенной конденсации водяного пара на аэрозольных частицах, выступающих в роли ядер конденсации. При достижении воздухом насыщения по водяному пару водяные молекулы начинают конденсироваться на этих ядрах, образуя капли. Рост капли регулируется уравнением:

$$ \frac{dr}{dt} = \frac{S - 1}{r} \cdot \frac{D \cdot \rho_v}{\rho_l \cdot (L/R_vT + 1)} $$

где r — радиус капли, S — относительная влажность, D — коэффициент диффузии водяного пара, ρ_v и ρ_l — плотности пара и жидкости, L — теплота парообразования, R_v — газовая постоянная для водяного пара, T — температура.

Капли растут медленно диффузионным путем при перенасыщении и гораздо быстрее — за счет коалесценции при столкновениях. Коалесценция — основной механизм образования дождевых капель в теплых облаках (температура выше 0 °C).

Механизмы замерзания капель

В облаках с температурой ниже 0 °C вода может существовать в переохлажденном жидком состоянии. Процесс замерзания может быть гомогенным (без участия внешних частиц) или гетерогенным — при участии ядер кристаллизации. Гомогенное замерзание происходит при температуре ниже –38 °C. Гетерогенное замерзание начинается при –4…–20 °C в зависимости от типа ядер.

Существует несколько механизмов гетерогенного замерзания:

Контактное замерзание — при столкновении капли с твердой частицей;
Конденсационное замерзание — когда пар конденсируется и сразу замерзает на ядре;
Замерзание при испарении — охлаждение капли до точки замерзания при испарении;
Иммерсионное замерзание — присутствие ядра внутри капли.

Образование кристаллов льда и их эволюция

Кристаллы льда в облаках формируются вокруг ядер кристаллизации. Их морфология зависит от температуры и перенасыщения по водяному пару. Типичные формы: дендриты, иглы, призмы, колонны, пластинки. При температуре около –15 °C наблюдается максимальное разнообразие форм, что объясняется особенностями роста кристаллов по различным кристаллографическим осям.

Рост кристаллов льда сопровождается эффектом Веганера–Берже–Финдеизена, при котором ледяные частицы растут за счет осаждения водяного пара из перенасыщенного по отношению к воде, но недонасыщенного по отношению к льду воздуха. В то же время капли испаряются. Этот процесс ключевой для образования осадков в холодных облаках.

Агрегация и коалесценция частиц

После начального роста капли и кристаллы сталкиваются и объединяются:

Коалесценция капель приводит к формированию крупных капель (>0,1 мм), способных выпадать в виде дождя;
Агрегация кристаллов льда приводит к образованию снежинок и снежных агрегатов.

Эффективность этих процессов зависит от размеров, скоростей падения, турбулентности, электрических зарядов и формы частиц.

Фрагментация и вторичные процессы

При столкновении крупных капель или кристаллов возможна их деструкция, приводящая к образованию множества мелких частиц. Эти частицы могут выступать как вторичные ядра кристаллизации. Также важны процессы секундарного обледенения — например, при испарении переохлажденных капель вокруг кристаллов, где возможна реконденсация пара на других частицах и последующее замерзание.

Условия выпадения осадков

Чтобы частица выпала в виде осадка, она должна достичь критического размера, при котором скорость падения превышает скорость восходящих движений в облаке. Скорость осаждения зависит от радиуса частицы r, и в случае капель подчиняется закону Стокса при r < 100 мкм:

$$ v = \frac{2}{9} \frac{r^2 \cdot g \cdot (\rho_l - \rho_{air})}{\mu} $$

где g — ускорение свободного падения, ρ_air — плотность воздуха, μ — вязкость воздуха.

Формирование осадков эффективно только в том случае, если процессы роста (коалесценция, агрегация, эффект Берже–Финдеизена) происходят быстрее, чем испарение и разрушение частиц.

Микрофизика в теплых и холодных облаках

Существует принципиальное различие между теплыми облаками (температура выше 0 °C по всей глубине) и холодными или смешанными облаками (температура ниже 0 °C на части или всей глубине):

В теплых облаках осадки формируются почти исключительно за счет коалесценции капель. Эти процессы доминируют в тропиках.
В смешанных облаках — основной механизм осадкообразования связан с эффектом Берже–Финдеизена и последующей агрегацией.

Роль турбулентности и электрических полей

Турбулентность усиливает столкновения между каплями и кристаллами, ускоряя коалесценцию и агрегацию. Особенно значима она в нижней части кучево-дождевых облаков и вблизи границ слоев.

Электрические поля внутри облаков влияют на движение частиц и могут способствовать их объединению. Разделение зарядов между льдом и жидкой водой играет ключевую роль в грозовых явлениях и молниевом разряде.

Микрофизические параметры и моделирование

Для численного моделирования облаков используют параметризации микрофизических процессов. Они включают:

Распределения по размерам капель и кристаллов (напр., гамма-распределение);
Моменты распределений: число частиц, масса, энергия;
Параметры: эффективный радиус, водосодержание (LWC), ледосодержание (IWC), оптическая толщина.

Сложные схемы микрофизики в моделях могут учитывать десятки процессов и переменных, включая конденсацию, испарение, замерзание, таяние, коалесценцию, агрегацию и др.

Наблюдательные методы изучения микрофизики

Микрофизика облаков изучается с помощью:

Аэрозольных зондов, устанавливаемых на самолетах;
Радаров (в частности, облачных радаров миллиметрового диапазона);
Лидаров, определяющих фазовое состояние облака;
Спутниковых наблюдений, анализирующих отражательную способность, оптическую толщину, температуру верхней границы облаков;
Лабораторных экспериментов, моделирующих микрофизику в контролируемых условиях.

Комбинация данных из различных источников позволяет количественно оценить микрофизические процессы и улучшать их параметризации в климатических и прогностических моделях.