211service.com
Fizycy rozwiązują zagadkę tworzenia chmur
Jednym z największych wyzwań w fizyce atmosfery jest wyjaśnienie powstawania chmur.
Fizycy znają oczywiście podstawy: przy określonej temperaturze i ciśnieniu para wodna kondensuje się w kropelki, które łączą się, tworząc krople deszczu na tyle ciężkie, że spadają na Ziemię.
Diabeł tkwi w szczegółach. Ten proces agregacji kropel czasami zachodzi tak szybko, że nie można go wyjaśnić. Większość ludzi zobaczy chmury formujące się w ciągu kilku minut, a deszcz pojawia się prawie znikąd.
Naukowcy nawet zmierzyli ten proces. Zwykle widzą krople o średnicy 15 mikrometrów – za małe na deszcz – dorastają do 50 mikrometrów lub więcej w mniej niż pół godziny. To wystarczająco duże, by wywołać ulewę.
Pytanie brzmi, jak następuje ten wzrost. Żadne standardowe modele powstawania kropel nie są w stanie tego wyjaśnić (przynajmniej przy braku tworzenia się lodu). Ale dzisiaj mamy rozwiązanie dzięki pracy Vassiliosa Dallasa i Christosa Vassilicosa z Imperial College w Londynie.
Sednem tego problemu jest liczba zwana liczbą Stokesa, od nazwiska irlandzkiego matematyka George'a Stokesa, który wynalazł ją w XIX wieku. Liczba Stokesa to bezwymiarowa wielkość związana z bezwładnością, która opisuje, jak krople wody zderzają się ze sobą w strumieniu gazu. Jest niezwykle wrażliwy na skalę, w jakiej te kolizje występują.Gdy liczba Stokesa jest mała, kropla podąża za przepływem gazu, gdy porusza się wokół innej kropli, więc rzadko się zderzają. Gdy liczba jest duża, kropelki mają większą bezwładność i nie mogą uniknąć zderzenia ze sobą.
Oto problem. Zanim uformują się chmury, kropelki są małe, a liczba Stokesów niewielka. Dlatego kropelki rzadko się zderzają. Po uformowaniu się chmur kropelki są duże, a liczba Stokesów ogromna, co oznacza, że cząsteczki łatwo łączą się, tworząc deszcz. Ale jak zachodzi to przejście?
Tutaj pojawia się problem z kurczakiem i jajkiem. Kropelki nie mogą rosnąć szybko, chyba że liczba Stokesa jest duża, ale liczba Stokesa nie może być duża, chyba że krople są duże.
Przełomem, jakiego dokonali Dallas i Vassilicos, jest pokazanie, jak turbulencja zmienia tę relację. Mówią, że turbulencje występują w wielu skalach, w tym w skali mikrometrowej, w której tworzą się krople. Efektem tej turbulencji jest tworzenie dużych zmian liczby Stokesa w skali mikrometrowej. Mówią, że właśnie to powoduje, że maleńkie kropelki częściej się zderzają.
Zasadniczo Dallas i Vassilicos twierdzą, że turbulencje w skali mikrometrowej przyspieszają formowanie się chmur i wywołują deszcze.
To ciekawy, choć nie do końca nieoczekiwany wynik, który powinien przełożyć się na lepsze prognozy pogody. Być może, co ważniejsze, może mieć również duży wpływ na modele klimatyczne. Chmury mają duży wpływ na ilość światła odbijanego przez Ziemię z powrotem w kosmos. Ważna jest umiejętność lepszego obliczenia, kiedy się tworzą.
I zatyka kłopotliwą dziurę w naszym zrozumieniu jednego z najbardziej podstawowych zjawisk atmosferycznych.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1012.0578 : Inicjacja deszczu w ciepłych chmurach