Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych

Mikrofizyka chmur

czwartek, 27 maja 2010

Właśnie spakowałem radar, który mierzy charakterystykę kropli deszczowych
http://www.metek.de/produkte_mrr.htm

i przyszło mi do głowy, żeby napisać o deszczu. Najwieksze deszczowe krople na świecie wyglądały jak parasolki lub meduzy i były całkiem spłaszczone (Peter Hobbs i A. Rangne, Super-large raindrops, Geophysical Research Letters, 31, L13102, doi:10.1029/2004GL020167, 2004). Duże krople nie są podobne do łez, ani nie są kuliste.  W pomiarach laboratoryjnych bardzo duże krople o wielkości 10 mm rozpadają się same na klika mniejszych. Rzadko nawet osiągają tę wielkość ponieważ  wcześniej zaczynają się rozpadać podczas zderzeń pomiędzy sobą.  W 1986 roku odkryto krople o wielkości 8mm w chmurach blisko wysp Hawajskich. W 1995 roku na północ od Brazylii odkryto największe na świecie krople deszczowe o wielkości pomiędzy 8.8mm – 10mm.  Pomiary dokonano w atmosferze, w której było dużo dymów z pożarów w  obszarze Amazonki. Przypuszczalnie pożary przyczyniły się też do rozwoju intesywnych chmur – takie chmury mają nazwę pyrocumulus.  Pomiary rozmiarów kropli dokonuje się z samolotow za pomocą bardzo małych i szybkich diod, które robią zdjęcia cienia jaki rzuca kropla na diodę przelatując blisko niej - no taki szybki aparat fotograficzny.  Krople deszczowe  występują w chmurach stosunkowo rzadko. Chmury „są zrobione” głównie ze znacznie mniejszych i liczniejszych  kropli chmurowych.  W tych samych pomiarach samolotowych w Amazonii,  zmierzono około 900 kropli na centymetr sześcienny,  a największa miała tylko około 28 mikrometrow (mikrometr to 1/1000 część centymetra). Małe krople deszczowe nie chcą się zderzać ze sobą bo zaczynają opływać się nawzajem. Sytuacja jest trochę  podobna do jazdy samochodem w padającym śniegu. Większość płatków opływa samochód.  Dlaczego znaleziono takie olbrzymie krople skoro było tyle kropli chmurowych niechętnych, żeby tworzyć większe?  Dymy w pożarach powodują, że para wodna w atmosferze skrapla się na bardzo wielu małych zarodkach; te  początkowe kropelki nie tworzą deszczu. Jeżeli jednak w jakiś cudowny sposób powstanie kropla deszczowa, to może  bardzo szybko urosnąć przez oddziaływanie z wieloma kroplami chmurowymi.  Pomysł, że kilka dużych kropli, może spowodować opad z chmur, jest wykorzystywany w technikach sztucznego wywoływania deszczu zwłaszcza w chmurach nad kontynentami. Można posypać taką chmurę piaskiem, albo jodkiem srebra, albo polać je rozpyloną wodą. W opisywanych powyżej chmurach z Amazonii, mechanizmem tworzenia się kilku szczęśliwych kropelch deszczowych, mogło być oddziaływanie z wybranymi bardzo dużymi cząstkami dymów. Są jeszcze inne pomysły dlaczego tworzą się wybrane wielkie krople. Jednym  z nich jest  hipoteza,  że pierwsze duże krople deszczu  powstają w wybranych obszarach chmur (ze względu na niejednorodności w prędkości pionowej  powietrza czy lokalnego przesycenia pary wodnej).

sobota, 01 maja 2010

Marian Smoluchowski
http://pl.wikipedia.org/wiki/Marian_Smoluchowski

opracował matematyczną teorię, która stanowi podstawę mikrofizyki chmur. Równanie koagulacji Smoluchowskiego z 1917 roku
http://en.wikipedia.org/wiki/Smoluchowski_coagulation_equation

(Marian Smoluchowski, Versuch Einer Mathematischen Theorie der Koagulationkinetik kolloider losungen, Zeitschrift fur physikalishe Chemie, XCII, 1917, 129-168) opisuje m.in. jak zderzają się krople wody w chmurach i w jaki sposób powstaje deszcz. Równanie Smoluchowskiego jest używane w  modelach rozwoju chmur i, w uproszczonej formie, w modelach prognoz pogody i modelach klimatycznych (parametryzacja typu Kesslera).

Wyobraźmy sobie, że staramy się opisać problem wzrostu małych kropel utrzymujących się w chmurach aż do rozmiarów, kiedy następuje deszcz. Jednym z mechanizmów jest zderzanie i zlewanie kropel, proces który nazywamy koagulacją. Starając się opisać liczbę kropli o  określonej wielkości mamy do czynienia z dwoma procesami. Jeden proces jest procesem źródłowym – doprowadzającym do tego, że kropel o danym rozmiarze jest coraz więcej. Drugi proces jest procesem zmniejszającym (ściek) ilość kropli o danej wielkości.  Smoluchowski zauważył, że istnieje wiele kombinacji,  w których dwie małe krople zderzając i zlewając się  tworzy kroplę o konkretnym rozmiarze.  Łatwo to zrozumieć rozważając następującą analogię. Powiedzmy, że interesują nas kombinacje liczb, które po zsumowaniu dają liczbę 7=1+6=2+5=3+4.  Jak widać jest kilka możliwości (1,6), (2,5), (3,4). Podobnie jest w chmurach, krople o różnych rozmiarach zlewając się tworzą większą krople o konkretnej wielkości.  Inaczej jest dla ścieku: jakakolwiek kropla zderzająca się z kroplą o interesującym nas rozmiarze spowoduje, że ilość tych kropli się zmniejszy. Zastanówmy ile jest kombinacji dodawania do liczby 7 innej (nie zerowej) liczby, tak żeby po dodaniu nadal pozostało 7.  Nie ma takiej możliwości.  Te dwa procesy to w skrócie równanie Smoluchowskiego.

Tak na marginesie ciekawe są uwagi Smoluchowskiego o fizyce atmosfery w 1916 roku kiedy podkreślał że meteorologia przestaje być dziedziną opisową a staje się dziedziną fizyki: „Podręcznik meteorologii [Rudzkiego ...], pod pewnym względem stoi również  na poziomie wyższym niż podobne dzieła zagraniczne, ponieważ meteorologia nie występuje w nim jako zbiór statystycznych reguł empirycznych, lecz przybiera postać, o ile to możliwe w dzisiejszym stanie wiedzy, nauki o fizyce atmosfery. Taki zaś jest oczywiście kierunek, w którym ta nauka dzisiaj się rozwija, i w którym postępując, stanie się kiedyś gałęzią nauk ścisłych, równorzędną z innymi działami nauk ścisłych
http://matwbn.icm.edu.pl/ksiazki/pms/pms3/pms318.pdf

(Marian Smoluchowski, „Maurycy Rudzki jako geofizyk”, przemówienie wygłoszone w dniu 21 listopada 1916 roku na posiedzeniu Krakowskiego Oddziału Polskiego Towarzystwa Przyrodników im. Kopernika, Kosmos, tom XLI, 105-119).  Z perspektywy prawie 100 lat widać, że meteorologia jest dziedziną fizyki (a także chemii i matematyki stosowanej).  Czasami mam wrażenie, że nie dostrzeżono tego jeszcze do końca w Polsce w 2010 roku, gdzie meteorologia jest nadal domeną studiów geograficznych z jednym, chlubnym, wyjątkiem Uniwersytetu Warszawskiego. Potwierdza to też niski poziom, czasami na poziomie znachorstwa, obecnej dyskusji o zmianach klimatu w Polsce.