211service.com
Fysiker löser molnformationspussel
En av de största utmaningarna inom atmosfärsfysik är att förklara hur moln bildas.
Fysiker vet naturligtvis grunderna: att vid en viss temperatur och tryck kondenserar vattenånga till droppar som kombineras för att bilda regndroppar som är tunga nog att falla till jorden.
Djävulen finns i detaljen. Denna process av droppaggregation sker ibland så snabbt att den trotsar förklaringen. De flesta människor kommer att ha sett moln bildas inom några minuter och regn dyka upp nästan från ingenstans.
Forskare har till och med mätt denna process. De ser vanligtvis droppar med en diameter på 15 mikrometer – för små för regn – växa till 50 mikrometer eller mer på mindre än en halvtimme. Det är tillräckligt stort för att utlösa ett skyfall.
Frågan är hur denna tillväxt sker. Inga standardmodeller för droppbildning kan förklara det ((åtminstone i frånvaro av isbildning). Men idag har vi en lösning tack vare Vassilios Dallas och Christos Vassilicos arbete vid Imperial College, London.
Kärnan i detta problem är en kvantitet som kallas Stokes-talet, efter den irländska matematikern, George Stokes, som uppfann det på 1800-talet. Stokes-talet är en dimensionslös storhet relaterad till tröghet som beskriver hur vattendroppar slår ihop i ett gasflöde. Den är oerhört känslig för den skala som dessa kollisioner inträffar i.När Stokes-talet är litet följer en droppe gasens flöde när den rör sig runt en annan droppe och därför kolliderar de sällan. När antalet är stort har dropparna större tröghet och kan därför inte undvika att slå i varandra.
Här är problemet. Innan moln bildas är dropparna små och Stokes-talet är litet. Därför kolliderar dropparna sällan. Efter att moln har bildats är dropparna stora och Stokes-talet är enormt, vilket betyder att partiklarna lätt kombineras och skapar regn. Men hur sker denna övergång?
Det finns ett kyckling- och äggproblem här. Dropparna kan inte växa snabbt om inte Stokes-talet är stort, men Stokes-talet kan inte vara stort om inte dropparna är stora.
Genombrottet som Dallas och Vassilicos har gjort är att visa hur turbulens förändrar detta förhållande. De säger att turbulens uppstår över ett stort antal skalor, inklusive mikrometerskalorna där droppar bildas. Effekten av denna turbulens är att skapa stora variationer i Stokes-talet på mikrometerskalan. Detta, säger de, är det som gör att de små dropparna kolliderar oftare.
I huvudsak säger Dallas och Vassilicos att turbulens i mikrometerskala påskyndar molnbildningen och utlöser regnskurar.
Det är ett intressant, om än inte helt oväntat resultat som borde leda till bättre väderprognoser. Kanske mer påtagligt, det kan också ha stor inverkan på klimatmodellerna. Moln har en stor effekt på mängden ljus som jorden reflekterar tillbaka till rymden. Att bättre kunna räkna ut när de bildas är viktigt.
Och det täpper till ett pinsamt hål i vår förståelse av ett av de mest grundläggande atmosfäriska fenomenen.
Ref: arxiv.org/abs/1012.0578 : Initiering av regn i varma moln