Процесс Бержерона–Финдайзена является одним из ключевых механизмов роста осадков в облаках смешанного типа, где одновременно присутствуют как переохлаждённые водяные капли, так и кристаллы льда. Его суть заключается в том, что при определённых условиях рост кристаллов происходит за счёт испарения воды с поверхности капель и последующего осаждения водяного пара на поверхность льдинок.
Фундаментальный физический механизм процесса основан на различии давления насыщенного пара над водой и над льдом. При одной и той же температуре давление насыщенного пара над переохлаждённой водой выше, чем над льдом. Например, при температуре −10 °C давление насыщенного пара над водой превышает аналогичное значение над льдом примерно на 10 %. Это создаёт благоприятные условия для переноса водяного пара от капель к кристаллам.
Такой перенос приводит к уменьшению массы капель (испарение) и увеличению массы кристаллов (сублимация пара). Этот механизм реализуется только в облаках, где одновременно существуют переохлаждённые капли и кристаллы — т.н. смешанные облака.
Скорость роста кристаллов льда в процессе Бержерона–Финдайзена зависит от нескольких факторов:
Скорость прироста массы кристалла можно описать уравнением диффузии с учётом переноса массы от капель:
$$ \frac{dm}{dt} = 4\pi C D \rho_{v} \left( \frac{e_w - e_i}{L} \right) $$
где:
Форма и структура кристаллов существенно влияют на эффективность осаждения пара. Разные температурные условия способствуют образованию различных морфологических форм льда: от игл и столбиков до дендритов. Особенно активно рост идёт на гранях, где кристалл наиболее эффективно улавливает молекулы пара.
Кристаллы с более сложной поверхностью обладают большей активной площадью для осаждения и растут быстрее. Это может усиливать селективность роста — крупные кристаллы получают больше пара и растут ещё быстрее, что способствует развитию спектра размеров частиц в облаке.
Процесс Бержерона–Финдайзена оказывает сильное влияние на макрофизику облака:
Хотя процесс Бержерона–Финдайзена является доминирующим в смешанных облаках, он часто сопровождается другими механизмами роста:
Процесс Бержерона–Финдайзена, таким образом, играет роль «пускового механизма», приводящего к развитию более интенсивных осадкообразующих процессов.
Развитие процесса зависит от вертикальной структуры облака и метеорологических условий:
При этом наличие ядер кристаллизации (например, частицы пыли, сажа, органические аэрозоли) с температурой активации от −5 °C до −15 °C способствуют более раннему началу процесса.
Процесс Бержерона–Финдайзена объясняет, почему в холодных облаках осадки могут формироваться даже при малом содержании воды. Благодаря более быстрому росту кристаллов по сравнению с каплями, даже из разреженного облака может выпасть значительное количество осадков.
Это также объясняет, почему в облаках, содержащих только капли, осадки формируются реже: капли должны достичь критического размера (порядка 0,1–0,2 мм) путём коалесценции, что происходит значительно медленнее.
Процесс имеет решающее значение в пояснении осадкообразования в облаках фронтального и орографического происхождения, а также в инжиниринге искусственного вызывания осадков путём введения льдопроизводящих реагентов (например, иодида серебра).
В упрощённом виде масса кристалла как функция времени может быть выражена как:
m(t) ∼ t1/2
что отражает диффузионную природу процесса. Рост следует закону корня из времени, пока доступен достаточный поток пара.
Темп роста сильно зависит от относительной влажности и концентрации льда: при высокой влажности и малом числе кристаллов каждый отдельный кристалл растёт быстрее, а спектр размеров становится более неоднородным.
Таким образом, процесс Бержерона–Финдайзена является центральным элементом микрофизики облаков и играет решающую роль в формировании осадков в широкой полосе климатических условий. Он представляет собой яркий пример фазовых взаимодействий в атмосфере, опирающихся на тонкий баланс между термодинамикой, молекулярной диффузией и аэрозольной активностью.