Mikrofyzika oblaků

Hodnocení stránky

Na stránce mikrofyzika oblaků jsou komplexně vyloženy základní pojmy a objasněny procesy v pod oboru fyzika oblaků a srážek. Procesy, které jsou důležité pro tvorbu oblačných a srážkových částic, jejich tvorbu, růst, naopak rozpad a další chování. Pojednáno jde dále o vlastnostech oblačných a srážkových částic, o jejich velikosti, o tvaru a dalších. Též je zde probráno složení oblaků, struktura ledových krystalků  jejich druhy či pádová rychlost různých částic. Této problematice je věnována větší pozornost. Dále jsou vyloženy další mikrofyzikální procesy v oblacích a to ve vodních i ledových a smíšených oblacích. zejména jde o pojmy nukleace, kondenzace, výpar, difuze, koalescence či koagulace, tříštění vodních kapek, sublimace a depozice či další. Zvláště je v závěru pojednáno o vývoji krup a jejich základních charakteristikách.

V případě výkladu tématu mikrofyzika oblaků se předpokládá od čtenáře základní znalost z oboru meteorologie. Zejména znalosti týkajících se oblaků, atmosférických srážek a základních fyzikálních pojmů. Nastudovat si tyto základy může každý na dalších našich stránkách s teoretickými informacemi. Další text se bude i mírně do hloubky zabývat výše uvedenými tématy – především je tedy určen pro milovníky tématiky. Mikrofyzika oblaků je tematika spadající pod odvětví fyziky oblaků a srážek a je poměrně rozsáhlá. V textu této stránky jsou uvedeny základní informace a pokud možno pouze základní matematické vztahy. Všechna témata odvětví zvaného souhrnně mikrofyzika oblaků pojednávají o oblacích a atmosférických srážkách různého druhu.

Doporučujeme stránky: Oblaky, Atmosférické srážky, Vlhkost vzduchu, Dynamika atmosféry nebo Termodynamika atmosféry. Samozřejmě ale i další z nabídky o meteorologii.

Témata stránky: Mikrofyzika oblaků

Témata stránky: Pojem mikrofyzika oblaků a srážek, oblačné a srážkové částice, vodní kapky, ledové krystalky, charakteristiky krup, pádová rychlost částic, mikrofyzika oblaků, nukleace částic, koalescence a koagulace, kondenzace, depozice, sublimace, tání.

Anglické názvy: Cloud mikrophysics (mikrofyzika oblaků), cloud particle (oblačná částice), precipitation particle (srážková částice), fall velocity (pádová rychlost). Nucleation (nukleace), coalescence/coagulation (koalescence/koagulace), evaporation (výpar), melting (tání), freezing (mrznutí), sublimation (sublimace), deposition (depozice). Condensation (kondenzace), condensation core (kondenzační jádro), ice crystal (ledový krystal), hail (kroupa), snowflake (sněhová vločka). Supercooled water (přechlazená voda), water droplet breakage (tříštění vodních kapek), diffusion growth (difuzní růst), collision efficiency (kolizní účinnost).

OBSAH STRÁNKY MIKROFYZIKA OBLAKŮ

• Mikrofyzika oblaků a srážkových částic – úvod do problematiky
• Oblačné a srážkové částice – definice a druhy
• Velikost kapek
• Tvar a koncentrace ledových částic
• Charakteristiky sněhových vloček a krup
• Pádová rychlost částic – vzorce pro výpočet
• Mikrofyzika částic
• Nukleace – pojem, definice
• Sublimace a depozice ledu
• Agregace a zachytávání kapek
• Další charakteristiky krup
• Produkce a chování krup v oblaku

---

MIKROFYZIKA OBLAKŮ: ZÁKLADY MIKROFYZIKÁLNÍCH PROCESŮ, ZÁKLADNÍ POJMY

Úkolem problematiky mikrofyzika oblaků je oblast fyziky oblaků a srážek zabývající se hlavně jejich vznikem, změnami, růstem či zánikem a tedy rozpadem. Řeč je o různých částicích, od oblačných přes dešťové kapky až po pevné srážky v podobě krup. Procesy mikrofyziky mají určité rozměry, které odpovídají rozměrům různých částic. V případě popisu těchto je možné používat i zjednodušující matematické modely. Ty postihují chování souboru částic a to v oblasti přesahující rozměry takových částic. Obecně se používá souhrnný název pro veškeré druhy, ze kterých je složen oblak nebo které vypadávají z oblaků . Jde o název částice (např. oblačná) nebo element. Ve výkladu bude kladen důraz na procesy, vedoucí k vývoji a růstu těchto částic a případně jejich dalšímu chování.

Existuje souvislost mezi polem proudění vzduchu v oblaku a mikrofyzikálními procesy. Tyto ovlivňují rychlost a trvání a trvání mikrofyzikálních procesů. Toto je základem dynamiky oblaků s aplikací principů dynamiky kapalin na vývoj oblaků. V historii došlo k definici problému v podobě interakce mikrofyzikálních a dynamických procesů v oblacích. Tento problém je řešen i v dnešní době. V dalších kapitolách vykládáme podrobněji témata týkající se oblasti mikrofyziky oblaků.

Oblačné částice

Částice tvořící oblaky, tj. jde o vodní kapky a ledové částice různého druhu. Podle toho rozlišujeme vodní oblaky, které tvoří jen kapky, dále oblaky ledové tvořené jen pevnými částicemi a smíšené oblaky. Ledové částice mají různé druhy a v oblacích se vyskytují v podobě ledových krystalků, malých krupek, sněhových vloček či velkých krup. U těchto částic se rozlišují různé vlastnosti, například rozměr, tvar nebo koncentrace.

Oblačnými částicemi jsou vodní kapky a ledové částice malých velikostí, které mohou být unášeny prouděním v oblaku a možností zanedbání pádové rychlosti vůči rychlosti proudění vzduchu. Též se nazývají jako oblačná voda či oblačný led.

Srážkové částice

Jsou částice nebo-li elementy, které vypadávají z oblaků směrem k zemskému povrchu. Jde stejně jako u oblačných částic o kapalné nebo pevné částice v podobě vodních kapek a ledových částic různých podob.

Srážkové částice jsou tedy vodní kapky a ledové částice větších rozměrů, u kterých nelze zanedbat pádovou rychlost. Označují se obecně jako srážková voda nebo srážkový led.

Vznik a vývoj oblačných i srážkových částic provází mnoho mikrofyzikálních procesů, na jejichž přehled a popis je tato stránka zaměřena. Srážkové částice se vyskytují na povrchu, resp. padají na povrch z oblaků. Oblačné částice se vyskytují převážně ve větších výškách, v oblacích. Pokud připustíme, že mlha je oblakem u zemského povrchu, což potvrzuje teorie, tak se mohou oblačné částice v podobě vodních kapek vyskytnout i u povrchu.

Mikrofyzika oblaků: Vlastnosti oblačných a srážkových částic

Mezi základní vlastnosti částic patří spektrum jejich velikosti. To lze dělit podle druhu částic, tedy zda jde o oblačné částice nebo srážkové částice. Další důležitou vlastností je tvar a koncentrace u ledových krystalků, které mohou nabývat různých tvarů. V dalších odstavcích se budeme zabývat také vlastnostmi krup a zejména pádovou rychlostí částic podle druhu. Růst zárodečných kapek se odehrává zejména difuzí vodní páry a společným shlukováním při srážkách do velikosti oblačných kapek s určitou řádovou velikostí. Jde o velikost o poloměru asi 10¹ až 10² μm.

Kapky o poloměru > 0.1mm (10²μm) se převážně považují za oblačné, větší pak za srážkové.

Poloměry typických částic v atmosféře:

• Kondenzační jádro (0.1μm)
• Oblačná kapka (10μm)
• Velká oblačná kapka (50μm)
• Dešťová kapka (1 000μm)

Definice kapky mrholení

Jako kapky mrholení se označují ty kapky, které mají poloměr do 0.25mm, větší pak jako dešťové kapky. Velké srážkové kapky mají zploštělý tvar, pro jejich velikost se uvádí ekvivalentní poloměr. Ten odpovídá poloměru koule o shodném objemu jako nesférická kapka. Ledové částice mají většinou nesférický tvar. Ekvivalentní velikost ledových částic, které mají také druhy oblačný led a srážkový led, 0.1mm je považována za přechodovou. A to mezi oblačným a srážkovým ledem.

Ledové částice

Ledové srážkové částice dopadající na zemský povrch:

• Sníh
• Sněhová zrna
• Sledové krupky
• Ledové krupky
• Zmrzlý déšť
• Ledové jehličky
• Kroupy

Tyto jsou jako druhy srážek popsány z hlediska vzhledu a procesu vzniku na stránce Atmosférické srážky.

Velikost oblačných kapek

Oblačné kapky jsou kapky o průměru pod 100μm. Tato hodnota průměru vychází z pádové rychlosti částic (viz dále). Pádová rychlost je funkcí velikosti kapek. Střední průměr oblačných kapek má velikost 10-20μm. Zejména v mlhách a vrstevnaté oblačnosti v minulosti proběhlo mnoho měření mikrofyzikálních parametrů a nejvíce měření bylo provedeno v nesrážkové oblačnosti druhu Cumulus prostřednictvím letadel. Spektra velikosti kapek jsou rozličná.

Větší koncentrace kapek se vyskytují v užších spektrech oblaků nad kontinenty. Maritimní oblasti vykazují nižší koncentrace a širší spektra kapek. Mnoho měření dokazuje velkou proměnlivost spekter dle druhu oblaku, jeho stádiu vývoje i dalších faktorech.

Pro vyjádření spektra oblačných kapek se často používá Chrgianovo-Mazinovo rozdělení s využitím rozdělení gama v následujícím tvaru.

Chrgianovo-Mazinovo rozdělení

n_R (R) = AR² exp(-BR)

Vysvětlivky: R = poloměr kapky, n_R(R) je objemová koncentrace kapek o poloměru v intervalu (R, R + dR). Přes A a B je možné vyjádřit prostřednictvím celkové velikosti kapek, jejich středního poloměru či pomocí celkového vodního obsahu. Neurčitý integrál n_R.

Kapalný oblak je jen řídký aerosol. Co se týče otázky vzdálenosti mezi kapkami v oblaku, tak vlivem turbulence v oblaku jsou v něm kapky rozloženy nerovnoměrně . Vzdálenost kapek od sebe je v čase značně proměnlivá. Je možný odhad střední vzdálenosti podle odhadu počtu kapek a vodního obsahu v oblaku.

Velikost dešťových kapek

V minulosti proběhla řada měření velikosti i počtu kapek a to prostřednictvím několika měřících technik v různých oblastech. výsledkem je rozdělení četnosti dešťových kapek s počtem kapek v určitém intervalu velikostí. Jde o spektrum velikosti dešťových kapek. Tvar kapek s rostoucí velikostí přestává být sférický a to zejména vlivem aerodynamického odporu vzduchu. Dále hrají při tomto procesu roli i další faktory, příkladem je vnitřní cirkulace vody v kapce. Uvádí se tedy co se týče velikosti kapky ekvivalentní poloměr či průměr, odpovídající velikosti sféry o objemu nesférické kapky.

Kulové kapky se udržují většinou při průměru ≤ 280μm. A kapky o ekvivalentním průměru větším než přibližně 10mm jsou hydrodynamicky nestabilní a dochází k jejich tříštění na menší kapky.

Větší kapky se při pádu atmosférou deformují a tvar kapek se blíží tvaru zploštělého sféroidu. Více o deformacích a tříštění v kapitole o pádové rychlosti kapek. Nejčastějším vyjádřením spektra velikosti kapek je Marshallovo-Palmerovo rozdělení.

Marshallovo-Palmerovo rozdělení

n_D (D) = N₀ exp(-ΛD)

Autoři výše uvedeného rozdělení odvodili hodnoty parametrů N₀ = 8 000m^-3mm^-1 a Λ = 4.1I_R^-0.21mm-1. Parametry rozdělení je možné vyjádřit též pomocí momentů rozdělení. Studie ukázali, že parametr rozdělení N₀ není zcela konstantní. Závisí na intenzitě srážek a tato závislost se podle autorů liší.

Mikrofyzika oblaků: Tvar a koncentrace ledových krystalů

Se zápornou teplotou postupně narůstá výskyt ledových krystalků v oblaku. Ale záporná teplota není rozhodně jistotou jejich výskytu. Ani vysoce záporná teplota není jistotou, že se v oblaku nebude vyskytovat voda. A to přechlazená voda, která se tam vyskytuje i při teplotách pod -30°C. Některá měření prokázala výskyt přechlazené vody i při teplotě -42°C. Se snižující se teplotou narůstá pravděpodobnost výskytu ledových krystalků v oblaku. A při teplotě kolem -20°C obsahuje již jen cca 10% oblaků jen přechlazenou vodu.

Druhy ledových krystalků:

• Jehličky
• Sloupky
• Destičky
• Projektily
• Pyramidy
• Sektorové destičky
• Hvězdice
• Dendrity (tzv. sněhové vločky)

Krystalky různých druhů vznikají při běžném atmosférickém tlaku a teplotě vzduchu od 0 do -80°C. Vznikají z vodní páry nebo z vody. Tvarem odpovídají šesterečné krystalografické soustavě – hexagonální hranolek o dvou základnách a šesti bočních stěnách. V šesterečné symetrii jsou tvary ledových krystalků různorodé. Výše jsou uvedeny základní formy krystalků. V případě, že převáží růstová rychlost základny krystalku, tak vznikají sloupky nebo jehličky. V případě vyšší růstové rychlosti boků vzniknou destičky. Dendrity se objevují dosti často, též se nazývají hvězdice. Rychlost růstu základny a boků krystalků se mění v závislosti na změně teploty a přesycení vodní páry vůči ledu. V případě vysokého přesycení vůči ledu dochází k přechodu krystalky v případě poklesu teploty z tvaru destiček k jehlicím či sloupkům, dále k sektorovým destičkám a dendritům. dále se poté vrací k sektorovým destičkám až sloupkům.

Typické velikosti krystalů

V případě destiček popisujeme velikost prostřednictvím průměru a tloušťky takového krystalu. V případě sloupků jde o jeho délku a šířku. Typickou velikostí je v případě délky sloupků a průměru destiček 2μm až 2mm. Tloušťka destiček se pohybuje od 10 do 60μm, šířka sloupků pak od 10 do 200μm. Šírka jehliček od 10 do 150μm. Maximální rozměry krystalků dosahují jednotek milimetrů. Při zvětšení rozměrů krystalků se snižuje jejich hustota. Co se týče koncentrace krystalků v oblaku, tak nedochází se snižující se teplotou k plynulému nárůstu výskytu krystalků v takovém oblaku. Prokázán byl při konkrétní teplotě náhlý nárůst krystalků, tzv. rychlý přechod na ledovou fázi obsahu.

Podle měření ve vrcholové části oblaků, není možné při teplotách -4 až -25°C najít zřetelnou závislost koncentrace krystalků na teplotě. Koncentrace v tomto teplotním rozpětí dosahují hodnot až 10⁴ krystalků v litru vzduchu oblaku.

Krystalky ve velkých výškách s výskytem oblaků vysokého patra při typických hodnotách teploty -25 až -60°C mají tvar projektilů = sloupky se špicí na jednom konci), dále krátkých sloupků s dutinami, silných destiček, srostlých projektilů do růžic a podobně. Tyto tvary prokázaly mnohé odběry krystalků v těchto výškách. Koncentrace se tam pohybují od 50 do 500 krystalků v litru vzduchu, maximální rozměry 100 až 300μm v případě silných destiček a sloupků a 200 až 800μm pro krystalky podoby projektilů a růžic. V případě krystalků v podobě agregátů jde o rozměry 400 až 1 500μm.

Velikost sněhových vloček

Sněhové vločky lze definovat jako nepravidelné shluky ledových krystalků. Jsou nejčetněji zastoupeny ve sněhových srážkách oproti jednotlivých ledovým krystalkům

Největší pravděpodobnost shluku, tedy agregace, krystalků je při teplotě v blízkosti bodu mrazu. Proto se při této teplotě velmi často setkáváme se sněhovými vločkami velkých rozměrů. Dalším maximem shlukování padajících ledových krystalků je teplota okolo -15°C, do této teploty míra shlukování klesá. Velikost vloček je závislá také na tvaru krystalku, který je v ní obsažen. Typické rozměry vloček se pohybují až na 15mm, průměrně je to 2-5mm. Složení sněhové vločky je rozmanité a tato obsahuje i několik desítek druhů krystalků.

Závislost parametrů exponenciálního rozdělení: Λ = 2.55 x 10³I_R^-0.48, N₀ = 3.8 x 10³I_R^-0.87. V tomto vztahu je I_R intenzita sněhových srážek udávaná v mm za hodinu. Toto platí podle výše uvedeného odvození rozdělení Mashall-Palmer pro vodní kapky. Podle odvození Sekhona a Srivastava jde o určení nových parametrů výše uvedených veličin. Λ = 2.29 x 10³I_R^-0.45, N₀ = 2.5 x 10³I_R^-0.94. Velikost spektra sněhových vloček je velmi nejistá, neboť zde vstupuje mnoho faktorů a tedy závislostí na jejich velikost, hustotu a zřejmě i tvar krystalků, tvořících sněhovou vločku. Obecně se vyskytuje velká proměnlivost závislosti veličin rozdělení na intenzitě daných srážek.

Mikrofyzika oblaků: Charakteristiky krup

Kulové či kuželovité částice ledu nebo částice ledu s nepravidelnými tvary. To je stručná charakteristika krup, jejichž typický průměr činí 5mm a více. Maximálně dosahují velikostí v řádu centimetrů s velkými rychlostmi pádu (viz dále). Vznik krup je možný pouze v oblacích druhu Cumulonimbus s vertikálně dostatečným vývojem. Vývoj krup začíná vznikem zárodku kroupy v podobě velké zmrzlé kapky, ledové krupky nebo obecně ledového krystalku.

Zárodkem kroupy je útvar o velikosti asi 10^-1mm a většinou se vyskytuje uprostřed kroupy, ukázala analýza řezů kroupami.

Kroupa roste následným namrzáním a zachycováním přechlazených vodních kapek na povrchu vzniklé kroupy, která se neustále pohybuje v oblaku v rotační podobě. Obíhá oblakem tedy zdola nahoru.