Основные механизмы конденсации водяного пара
Осадкообразование в атмосфере начинается с процессов конденсации водяного пара на микроскопических частицах — ядрах конденсации. Эти частицы представляют собой аэрозоли различного происхождения — морская соль, пыль, продукты сгорания, сульфаты и др. Без наличия ядер конденсации водяной пар, даже при перенасыщении, не способен эффективно переходить в жидкую фазу. Наиболее эффективными считаются гигроскопичные ядра, способные инициировать конденсацию при относительной влажности менее 100%.
Процесс роста капель при конденсации описывается уравнением диффузионного роста. Конденсация наиболее интенсивно происходит при высоком перенасыщении и в присутствии большого числа активных ядер. Однако одновременное наличие множества капель ограничивает их рост из-за конкуренции за водяной пар.
Коагуляция и коалесценция
После того как в облаке образуется большое количество мелких капель, их дальнейший рост затрудняется вследствие истощения перенасыщения. В этом случае вступают в действие механизмы коагуляции и коалесценции.
Коагуляция — процесс столкновения и слипания облачных капель вследствие броуновского движения, турбулентности или гравитационного осаждения. Вероятность столкновений зависит от размеров капель, их концентрации и динамических условий в облаке.
Коалесценция — это физический процесс слияния капель воды при их столкновении. Он становится эффективным только тогда, когда скорость столкновения превышает критический порог, позволяющий преодолеть силы поверхностного натяжения. В теплых облаках коалесценция является основным механизмом роста капель до размеров дождевых капель.
Процесс Бержерона–Финдайзена
В смешанных облаках, содержащих как переохлаждённые водяные капли, так и кристаллы льда, ключевую роль в формировании осадков играет процесс Бержерона–Финдайзена. Этот механизм основан на различии давления насыщения над жидкой и твёрдой фазами воды: давление насыщения над переохлаждённой водой выше, чем над льдом.
В результате водяной пар конденсируется преимущественно на кристаллах льда, которые, таким образом, растут за счёт испарения переохлаждённых капель. Это приводит к увеличению размеров ледяных частиц, которые затем либо выпадают в виде снега, либо, проходя через тёплые слои, тают и выпадают в виде дождя.
Рост ледяных частиц
Рост кристаллов льда в облаке происходит несколькими способами:
Эти процессы играют доминирующую роль в формировании снежных осадков, а также в образовании града при интенсивных вертикальных движениях в облаке.
Тёплые и холодные осадки
В зависимости от температурной структуры облака различают два типа осадков:
Переход между типами осадков зависит от вертикального профиля температуры и влажности, а также от скорости восходящих потоков.
Вероятность и интенсивность осадков
Интенсивность осадков определяется эффективностью микрофизических процессов внутри облака. Для тёплых облаков — это скорость коалесценции, которая увеличивается при высокой влажности и сильной турбулентности. Для холодных облаков — эффективность и скорость роста кристаллов льда.
Формирование осадков требует определённого критического размера частиц. Например, для капель дождя это ~100 мкм, для снежинок — несколько миллиметров. Частицы меньших размеров остаются в облаке или испаряются при выпадении.
Влияние вертикальных движений
Скорости восходящих потоков играют решающую роль в микрофизике облаков. Сильные потоки поддерживают частицы в облаке, способствуя их росту. Особенно это важно для образования града, когда частицы многократно циркулируют внутри облака, обрастая новыми слоями льда.
В кучево-дождевых облаках вертикальные потоки могут достигать десятков м/с. Это позволяет каплям и ледяным частицам набирать массу до тех пор, пока сила тяжести не превысит подъемную силу потока.
Искусственное воздействие на процессы осадкообразования
Человечество научилось вмешиваться в микрофизику облаков с целью увеличения или подавления осадков. Наиболее известный метод — засеивание облаков реагентами (йодистое серебро, сухой лёд), которые играют роль искусственных ядер кристаллизации. Это усиливает образование ледяной фазы и ускоряет выпадение осадков.
Такие методы применяются для борьбы с засухами, градом и регулирования водных ресурсов, однако их эффективность остаётся предметом научных дискуссий.
Математическое моделирование процессов микрофизики
Современные численные модели атмосферы включают подробные блоки микрофизики облаков. Эти модули решают уравнения переноса массы, учитывают скорости роста капель и кристаллов, столкновения, коалесценцию, испарение и сублимацию.
Наиболее распространены схемы:
Результаты моделирования позволяют не только прогнозировать осадки, но и изучать чувствительность процессов к различным параметрам — концентрации аэрозолей, температурному профилю, влажности и т.д.
Роль аэрозолей в микрофизике облаков
Аэрозоли являются обязательным компонентом микрофизики облаков. Их тип, размер и химический состав определяют количество и свойства облачных капель. Например:
Этот эффект широко изучается в контексте климатических изменений, так как выбросы аэрозолей способны оказывать как охлаждающее (за счёт отражения солнечного света), так и разогревающее (через изменение микрофизики облаков) воздействие.
Субфизические и мезофизические масштабы
Микрофизика осадкообразования охватывает широкий диапазон пространственных и временных масштабов — от наноразмерных ядер конденсации до крупномасштабных осадков. Процессы взаимодействуют с динамикой атмосферы, радиационным балансом и теплообменом. Таким образом, микрофизика осадков — это не изолированная область, а связующее звено между физикой мелкомасштабных процессов и крупномасштабной атмосферной циркуляцией.