Sky fysik

køleluft til dens dugpunktrediger

Afspil medier

Cloud evolution på under et minut.

sensommerregn i Danmark. Næsten sort farve på basen indikerer hovedsky i forgrunden sandsynligvis cumulonimbus.

adiabatisk køling: stigende pakker af fugtig luftDet

når vand fordamper fra et område af jordens overflade, bliver luften over dette område fugtig. Fugtig luft er lettere end den omgivende tørre luft, hvilket skaber en ustabil situation. Når der er samlet nok fugtig luft, stiger al den fugtige luft som en enkelt pakke uden at blandes med den omgivende luft. Efterhånden som der dannes mere fugtig luft langs overfladen, gentages processen, hvilket resulterer i en række diskrete pakker med fugtig luft, der stiger til dannelse af skyer.

denne proces opstår, når et eller flere af tre mulige løftemidler—cyklonisk/frontal, konvektiv eller orografisk—får luft, der indeholder usynlig vanddamp, til at stige og afkøle til dugpunktet, den temperatur, hvor luften bliver mættet. Hovedmekanismen bag denne proces er adiabatisk afkøling. Atmosfærisk tryk falder med højden, så den stigende luft udvides i en proces, der bruger energi og får luften til at afkøle, hvilket får vanddamp til at kondensere til Sky. Vanddamp i mættet luft tiltrækkes normalt af kondensationskerner såsom støv og saltpartikler, der er små nok til at blive holdt højt ved normal cirkulation af luften. Vanddråberne i en sky har en normal radius på omkring 0,002 mm (0,00008 tommer). Dråberne kan kollidere for at danne større dråber, som forbliver høje, så længe hastigheden af den stigende luft i skyen er lig med eller større end dråbernes terminalhastighed.

for ikke-konvektiv Sky kaldes den højde, hvor kondens begynder at ske, det løftede kondensniveau (LCL), som groft bestemmer højden på skybasen. Frie konvektive skyer dannes generelt i højden af det konvektive kondensationsniveau (CCL). Vanddamp i mættet luft tiltrækkes normalt af kondensationskerner, såsom saltpartikler, der er små nok til at blive holdt højt ved normal cirkulation af luften. Hvis kondensationsprocessen forekommer under frysepunktet i troposfæren, hjælper kernerne med at omdanne dampen til meget små vanddråber. Skyer, der dannes lige over frysepunktet, består for det meste af superkølede væskedråber, mens de, der kondenserer ud i højere højder, hvor luften er meget koldere, generelt har form af iskrystaller. Et fravær af tilstrækkelige kondensationspartikler på og over kondensationsniveauet får den stigende luft til at blive overmættet, og dannelsen af Sky har tendens til at blive hæmmet.

frontal og cyklonisk løftedit

Frontal og cyklonisk løft forekommer i deres reneste manifestationer, når stabil luft, der har været udsat for ringe eller ingen overfladeopvarmning, tvinges op ved vejrfronter og omkring centre med lavt tryk. Varme fronter forbundet med ekstratropiske cykloner har tendens til at generere for det meste cirriforme og stratiforme skyer over et bredt område, medmindre den nærliggende varme luftmasse er ustabil, i hvilket tilfælde cumulus congestus eller cumulonimbus skyer vil normalt være indlejret i det vigtigste udfældende skylag. Kolde fronter bevæger sig normalt hurtigere og genererer en smallere linje af skyer, der for det meste er stratocumuliform, cumulonimbiform eller cumulonimbiform afhængigt af stabiliteten af den varme luftmasse lige foran fronten.

konvektiv løftrediger

et andet middel er den flydende konvektive opadgående bevægelse forårsaget af betydelig solvarme i dagtimerne på overfladeniveau eller af relativt høj absolut fugtighed. Indkommende kortbølgestråling genereret af solen udsendes igen som langbølgestråling, når den når jordens overflade. Denne proces varmer luften tættest på jorden og øger luftmassens ustabilitet ved at skabe en stejlere temperaturgradient fra varm eller varm på overfladeniveau til kold højde. Dette får det til at stige og afkøle, indtil temperaturligevægten opnås med den omgivende luft højt. Moderat ustabilitet muliggør dannelse af kumulative skyer af moderat størrelse, der kan producere lette brusere, hvis luftmassen er tilstrækkelig fugtig. Typisk konvektion upcurrents kan tillade dråberne at vokse til en radius på omkring 0,015 millimeter (0,0006 in) før udfældning som brusere. Den tilsvarende diameter af disse dråber er omkring 0,03 millimeter (0,001 tommer).

hvis luft nær overfladen bliver ekstremt varm og ustabil, kan dens opadgående bevægelse blive ret eksplosiv, hvilket resulterer i tårnhøje cumulonimbiform skyer, der kan forårsage hårdt vejr. Som små vandpartikler, der udgør skygruppen sammen for at danne dråber af regn, trækkes de ned på jorden af tyngdekraften. Dråberne vil normalt fordampe under kondensationsniveauet, men stærke opdateringer buffer de faldende dråber og kan holde dem højt meget længere, end de ellers ville. Voldelige opdateringer kan nå hastigheder på op til 180 miles i timen (290 km/t). Jo længere regndråberne forbliver høje, jo mere tid har de til at vokse til større dråber, der til sidst falder som tunge brusere.

regndråber, der bæres langt over frysepunktet, bliver først superkølet og fryser derefter til lille hagl. En frossen iskerne kan samle 0,5 tommer (1,3 cm) i størrelse, der rejser gennem en af disse opdateringer og kan cykle gennem flere opdateringer og nedtræk, før de endelig bliver så tunge, at den falder til jorden som stort hagl. At skære en haglsten i halvdelen viser løglignende islag, hvilket indikerer forskellige tidspunkter, hvor det passerede gennem et lag superkølet vand. Haglsten er fundet med diametre på op til 7 tommer (18 cm).

konvektiv løft kan forekomme i en ustabil luftmasse langt væk fra alle fronter. Imidlertid kan meget varm ustabil luft også være til stede omkring fronter og lavtrykscentre, der ofte producerer kumulative og cumulonimbiforme skyer i tungere og mere aktive koncentrationer på grund af de kombinerede frontale og konvektive løftemidler. Som med ikke-frontal konvektiv løft fremmer stigende ustabilitet lodret skyvækst opad og øger potentialet for hårdt vejr. I forholdsvis sjældne tilfælde kan konvektiv lift være kraftig nok til at trænge ind i tropopausen og skubbe skyens top ind i stratosfæren.

Orografisk liftEdit

en tredje løftekilde er vindcirkulation, der tvinger luft over en fysisk barriere såsom et bjerg (orografisk lift). Hvis luften generelt er stabil, dannes der ikke mere end linseformede hætteskyer. Men hvis luften bliver tilstrækkelig fugtig og ustabil, kan der forekomme orografiske brusere eller tordenvejr.

blæsende aften tusmørke forstærket af solens vinkel, kan visuelt efterligne en tornado som følge af orografisk lift

ikke-adiabatisk afkølingredit

sammen med adiabatisk afkøling, der kræver et løftemiddel, er der tre andre hovedmekanismer til at sænke luftens temperatur til dens Dugpunkt, som alle forekommer nær overfladeniveau og ikke kræver nogen løft af luften. Ledende, strålings-og fordampningskøling kan forårsage kondens på overfladeniveau, hvilket resulterer i dannelse af tåge. Ledende køling finder sted, når luft fra et relativt mildt kildeområde kommer i kontakt med en koldere overflade, som når mild marine luft bevæger sig over et koldere landområde. Radiationskøling opstår på grund af emission af infrarød stråling, enten af luften eller af overfladen nedenunder. Denne type afkøling er almindelig om natten, når himlen er klar. Fordampningskøling sker, når der tilsættes fugt til luften gennem fordampning, hvilket tvinger lufttemperaturen til at afkøle til dens våde pæretemperatur eller undertiden til mætningspunktet.

tilsætning af fugt til luftendet

der er fem hovedmåder vanddamp kan tilsættes til luften. Øget dampindhold kan skyldes vindkonvergens over vand eller fugtig jord til områder med opadgående bevægelse. Nedbør eller virga, der falder ovenfra, forbedrer også fugtindholdet. Dagtidsopvarmning får vand til at fordampe fra overfladen af oceaner, vandlegemer eller vådt land. Transpiration fra planter er en anden typisk kilde til vanddamp. Endelig bliver kølig eller tør luft, der bevæger sig over varmere vand, mere fugtig. Som ved opvarmning om dagen øger tilsætningen af fugt til luften dens varmeindhold og ustabilitet og hjælper med at sætte i gang de processer, der fører til dannelse af sky eller tåge.

Overmætningredit

mængden af vand, der kan eksistere som damp i et givet volumen, stiger med temperaturen. Når mængden af vanddamp er i ligevægt over en flad overflade af vand kaldes niveauet af damptryk mætning og den relative fugtighed er 100%. Ved denne ligevægt er der lige mange molekyler, der fordamper fra vandet, da der kondenseres tilbage i vandet. Hvis den relative fugtighed bliver større end 100%, kaldes den overmættet. Overmætning forekommer i fravær af kondensationskerner.

da mætningsdamptrykket er proportionalt med temperaturen, har kold luft et lavere mætningspunkt end varm luft. Forskellen mellem disse værdier er grundlaget for dannelsen af skyer. Når mættet luft afkøles, kan den ikke længere indeholde den samme mængde vanddamp. Hvis betingelserne er rigtige, kondenserer overskydende vand ud af luften, indtil det nedre mætningspunkt er nået. En anden mulighed er, at vandet forbliver i dampform, selvom det er uden for mætningspunktet, hvilket resulterer i overmætning.

overmætning på mere end 1-2% i forhold til vand ses sjældent i atmosfæren, da skykondensationskerner normalt er til stede. Meget højere grader af overmætning er mulige i ren luft og er grundlaget for skykammeret.

der er ingen instrumenter til at foretage målinger af overmætning i skyer.

Superkølingredit

vanddråber forbliver almindeligvis som flydende vand og fryser ikke, selv langt under 0 liter C (32 Liter F). Iskerner, der kan være til stede i en atmosfærisk dråbe, bliver aktive til isdannelse ved specifikke temperaturer mellem 0 liter C (32 Liter F) og -38 liter C (-36 liter F) afhængigt af kernegeometri og sammensætning. Uden iskerner kan superkølede vanddråber (såvel som ethvert ekstremt rent flydende vand) eksistere ned til omkring -38 liter C (-36 liter F), på hvilket tidspunkt spontan frysning forekommer.

Collision-coalescenceEdit

en teori, der forklarer, hvordan adfærd af individuelle dråber i en sky fører til dannelsen af nedbør er kollisions-coalescence-processen. Dråber suspenderet i luften vil interagere med hinanden, enten ved at kollidere og hoppe af hinanden eller ved at kombinere for at danne en større dråbe. Til sidst bliver dråberne store nok til, at de falder til jorden som Nedbør. Kollisions-koalescensprocessen udgør ikke en væsentlig del af skydannelsen, da vanddråber har en relativt høj overfladespænding. Derudover er forekomsten af kollisions-koalescens tæt forbundet med inddrivelsesblandingsprocesser.

Bergeron processEdit

den primære mekanisme til dannelse af isskyer blev opdaget af Tor Bergeron. Bergeron-processen bemærker, at mætningsdamptrykket af vand, eller hvor meget vanddamp et givet volumen kan indeholde, afhænger af, hvad dampen interagerer med. Specifikt er mætningsdamptrykket med hensyn til is lavere end mætningsdamptrykket med hensyn til vand. Vanddamp, der interagerer med en vanddråbe, kan være mættet ved 100% relativ fugtighed, når den interagerer med en vanddråbe, men den samme mængde vanddamp ville være overmættet, når den interagerer med en ispartikel. Vanddampen vil forsøge at vende tilbage til ligevægt, så den ekstra vanddamp kondenserer til is på overfladen af partiklen. Disse ispartikler ender som kernerne i større iskrystaller. Denne proces sker kun ved temperaturer mellem 0 liter C (32 Liter F) og -40 liter C (-40 liter F). Under -40 liter C (-40 liter F) vil flydende vand spontant nukleere og fryse. Vandets overfladespænding gør det muligt for dråben at forblive flydende langt under dets normale frysepunkt. Når dette sker, er det nu superkølet flydende vand. Bergeron-processen er afhængig af superkølet flydende vand (SLV), der interagerer med iskerner for at danne større partikler. Hvis der er få iskerner sammenlignet med mængden af SLV, vil dråber ikke kunne dannes. En proces, hvor forskere frø en sky med kunstige iskerner for at tilskynde til nedbør, er kendt som Sky såning. Dette kan hjælpe med at forårsage nedbør i skyer, der ellers måske ikke regner. Cloud seeding tilføjer overskydende kunstige iskerner, der skifter balancen, så der er mange kerner sammenlignet med mængden af superkølet flydende vand. En overfrøet Sky vil danne mange partikler, men hver vil være meget lille. Dette kan gøres som en forebyggende foranstaltning for områder, der er i fare for haglstorme.