Рост облачных частиц

Механизмы роста облачных частиц

Основным механизмом начального роста облачных капель является диффузионная конденсация водяного пара на ядрах конденсации. Процесс описывается уравнением:

$$ \frac{dr}{dt} = \frac{S - 1}{r} \cdot \frac{D_v \rho_{v,\text{sat}}}{\rho_l} \cdot \left( \frac{L_v}{R_v T} \cdot \frac{L_v}{k T} + 1 \right)^{-1} $$

где:

  • r — радиус капли,
  • S — перенасыщение по водяному пару,
  • Dv — коэффициент диффузии водяного пара,
  • ρv, sat — насыщенная плотность водяного пара,
  • ρl — плотность жидкости,
  • Lv — скрытая теплота парообразования,
  • Rv — газовая постоянная для водяного пара,
  • T — температура,
  • k — коэффициент теплопроводности воздуха.

Особенности процесса:

  • На ранней стадии (при r < 1 μм) рост происходит быстро, но по мере увеличения капли скорость роста снижается, поскольку зависимость от $\frac{1}{r}$.
  • Эффективность конденсационного роста ограничена. Для образования дождевых капель (радиус > 100 мкм) этот механизм недостаточен.

Рост кристаллов за счёт осаждения пара

В условиях переохлажденных облаков (температуры ниже 0 °C) важную роль играет рост кристаллов льда за счёт отложения водяного пара. Кристаллы растут быстрее, чем капли, за счёт эффекта Веганера—Бержеона—Финдеизена: насыщение по пару относительно льда ниже, чем относительно воды, поэтому водяной пар “предпочитает” осаждаться на кристаллах.

Кристаллы могут иметь сложную морфологию:

  • при температуре около −5 °C формируются столбики,
  • при −15 °C — дендриты,
  • при −30 °C — пластинки.

Форма кристаллов влияет на их аэродинамику и скорость осаждения, а также на вероятность столкновений и агрегации.

Коллизионно-коалесцентный рост капель

После достижения радиуса около 20–30 мкм, капли могут начать расти коалесценцией, то есть слиянием при столкновении. Этот процесс становится доминирующим механизмом образования крупных капель и последующего выпадения осадков.

Основные параметры:

  • Эффективность столкновений Ec — вероятность того, что капли столкнутся.
  • Эффективность коалесценции Ek — вероятность того, что столкнувшиеся капли объединятся в одну.

Скорость роста крупной капли можно выразить как:

$$ \frac{dm}{dt} = \pi r^2 \sum n(r') v_{\text{rel}} E_c E_k m' $$

где:

  • n(r′) — спектральная концентрация меньших капель,
  • vrel — относительная скорость осаждения,
  • m′ — масса сталкивающейся капли.

Факторы, влияющие на эффективность:

  • Турбулентность усиливает столкновения.
  • Электрические заряды могут как усиливать, так и ослаблять слияние.
  • Размерное распределение капель: широкое распределение ускоряет коалесценцию.

Агрегация и рост снежинок

Для кристаллов льда механизмом роста является агрегация — объединение отдельных кристаллов в сложные снежинки. Эффективность агрегации зависит от:

  • температуры (максимум при −12…−16 °C),
  • влажности,
  • структуры кристаллов,
  • наличия турбулентности и электростатических зарядов.

Снежинки имеют большие размеры и низкую плотность, что влияет на скорость их осаждения. Агрегаты легко разрушаются при столкновениях с другими частицами и при проходе через зоны с переменной влажностью, что может формировать графитовые или кристаллические обломки, служащие вторичными ядрами кристаллизации.

Риминг (обмерзание)

В насыщенной по водяному пару и переохлажденной среде возможно обмерзание кристаллов, когда капли воды сталкиваются с кристаллом и замерзают на его поверхности. Образуется граль, плотная обледеневшая частица неправильной формы. Скорость нарастания массы граупели:

$$ \frac{dm}{dt} = \pi r^2 \rho_l V E_{\text{rim}} $$

где:

  • V — относительная скорость столкновения капли и кристалла,
  • Erim — эффективность прилипания.

Риминг усиливается при высоком водо-содержании облака (LWC) и особенно важен в кучево-дождевых облаках, где формируются граупель и град.

Рост градин

Град формируется в условиях сильной восходящей конвекции, при высокой переохлажденной водности и мощной турбулентности. Частицы града образуются как результат многократного риминга на центрах обледенения, с чередующимися циклами подъема и падения в облаке.

Выделяют два основных режима:

  • сухой риминг — мгновенное замерзание капли при столкновении,
  • влажный риминг — часть воды не успевает замерзнуть, обволакивает частицу, создавая гладкую ледяную поверхность.

Формирование крупного града возможно только при сильных токах, поддерживающих частицы в облаке достаточно долго для многократного роста.

Спектральная эволюция капель и кристаллов

Процессы роста частиц изменяют размерный спектр облачных элементов. При конденсационном росте спектр сужается, так как мелкие капли растут быстрее, чем крупные (за счёт большей диффузии пара). Напротив, коллизионный рост приводит к расширению спектра: крупные капли быстрее увеличиваются за счёт мелких, а вероятность столкновений возрастает с шириной спектра.

В облаках, содержащих и воду, и лёд, спектр особенно сложен: капли испаряются, кристаллы растут, формируются сложные структуры, наблюдается конкуренция фаз.

Влияние условий среды

Рост частиц зависит от макрофизических условий:

  • Температура определяет фазу воды, морфологию кристаллов и эффективность процессов.
  • Влажность и перенасыщение регулируют скорость конденсации и кристаллизации.
  • Скорости вертикальных движений — критичный фактор в поддержании частиц в облаке.
  • Турбулентность усиливает смешивание, способствует столкновениям.
  • Аэрозольный состав атмосферы определяет количество и свойства ядер конденсации и кристаллизации.

Роль в формировании осадков

Без эффективного роста облачные частицы не могут достичь размеров, достаточных для выпадения в виде осадков. В теплых облаках (с температурой выше 0 °C) ключевым механизмом является коалесценция. В холодных — кристаллизация, риминг и агрегация. В смешанных — все механизмы работают одновременно, усиливая друг друга.

Понимание процессов роста облачных частиц — основа для построения микрофизических параметризаций в атмосферных моделях, прогноза осадков и оценки климатических эффектов облаков.

Оглавление