Pilven fysiikka

jäähdytysilma kastepisteeseensä

Play media

Cloud evolution alle minuutissa.

loppukesän rankkasade Tanskassa. Pohjan lähes musta väri viittaa etualalla olevaan pääpilveen todennäköisesti cumulonimbukseen.

adiabaattinen jäähdytys: nousevia kostean ilman pakkauksia

kun vettä haihtuu joltakin maan pinnan alueelta, sen yläpuolella oleva ilma muuttuu kosteaksi. Kostea ilma on ympäröivää kuivaa ilmaa kevyempää, mikä luo epävakaan tilanteen. Kun kosteaa ilmaa on kertynyt tarpeeksi, kaikki kostea ilma nousee yhtenä pakettina sekoittumatta ympäröivään ilmaan. Kun pintaan muodostuu enemmän kosteaa ilmaa, prosessi toistuu, ja tuloksena on sarja erillisiä kostean ilman pakkauksia, jotka nousevat pilviksi.

tämä prosessi tapahtuu, kun yksi tai useampi kolmesta mahdollisesta nostoaineesta—sykloninen/frontaalinen, konvektiivinen tai orografinen—saa näkymätöntä vesihöyryä sisältävän ilman nousemaan ja jäähtymään kastepisteeseensä eli lämpötilaan, jossa ilma kyllästyy. Prosessin päämekanismi on adiabaattinen jäähdytys. Ilmanpaine laskee korkeuden mukana, joten nouseva ilma laajenee prosessissa, joka kuluttaa energiaa ja saa ilman jäähtymään, jolloin vesihöyry tiivistyy pilveksi. Kylläisessä ilmassa oleva vesihöyry vetää tavallisesti puoleensa tiivistymisytimiä, kuten pölyä ja suolahiukkasia, jotka ovat riittävän pieniä pysyäkseen ilmassa normaalin ilmankierron avulla. Pilven vesipisaroiden normaali säde on noin 0,002 mm (0,00008 in). Pisarat voivat törmätä toisiinsa muodostaen suurempia pisaroita, jotka pysyvät ilmassa niin kauan kuin nousevan ilman nopeus pilven sisällä on yhtä suuri tai suurempi kuin pisaroiden terminaalinopeus.

ei-konvektiivisessa pilvessä korkeutta, jolla tiivistyminen alkaa tapahtua, kutsutaan lifted condensation leveliksi (LCL), joka karkeasti määrittää pilven pohjan korkeuden. Vapaita konvektiivisia pilviä muodostuu yleensä konvektiivisen kondensaatiotason (CCL) korkeudessa. Kylläisessä ilmassa oleva vesihöyry vetää tavallisesti puoleensa tiivistymisytimiä, kuten suolahiukkasia, jotka ovat riittävän pieniä pysyäkseen ilmassa normaalin ilmankierron avulla. Jos tiivistyminen tapahtuu troposfäärissä jäätymisasteen alapuolella, ytimet auttavat höyryn muuttamisessa hyvin pieniksi vesipisaroiksi. Pilvet, jotka muodostuvat juuri jäätymiskorkeuden yläpuolelle, koostuvat enimmäkseen ylijäähtyneistä nestepisaroista, kun taas pilvet, jotka tiivistyvät korkeammalla, missä ilma on paljon kylmempää, muodostuvat yleensä jääkiteistä. Riittävän tiivistymishiukkasten puuttuminen tiivistymisasteella ja sen yläpuolella aiheuttaa nousevan ilman ylikyllästymisen ja pilven muodostumisen.

Frontal and cyclonic liftEdit

Frontal and cyclonic lift esiintyy puhtaimmillaan, kun stabiili ilma, joka on altistunut vain vähän tai ei lainkaan pintalämmitykselle, pakotetaan nousemaan ilmaan säärintamilla ja matalapaineen keskusten ympärillä. Ekstratrooppisiin pyörremyrskyihin liittyvät lämpimät rintamat synnyttävät yleensä lähinnä cirriform-ja stratiform-pilviä laajalla alueella, ellei lähestyvä lämmin ilmamassa ole epävakaa, jolloin cumulus congestus – tai cumulonimbus-pilvet yleensä upotetaan varsinaiseen saostuvaan pilvikerrokseen. Kylmät rintamat liikkuvat yleensä nopeammin ja synnyttävät kapeamman jonon pilviä, jotka ovat enimmäkseen stratocumuliform, cumuliform tai cumulonimbiform riippuen lämpimän ilmamassan vakaudesta juuri rintaman edessä.

konvektiivinen liftEdit

toinen tekijä on kelluva konvektiivinen ylöspäin suuntautuva liike, joka johtuu merkittävästä päiväsaikaan tapahtuvasta auringon lämmityksestä pinnan tasolla tai suhteellisen korkeasta absoluuttisesta kosteudesta. Auringon tuottama saapuva lyhytaaltosäteily purkautuu uudelleen pitkäaaltoisena säteilynä, kun se saavuttaa maan pinnan. Tämä prosessi lämmittää maata lähinnä olevaa ilmaa ja lisää ilmamassan epävakautta luomalla jyrkemmän lämpötilagradientin lämpimästä tai kuumasta pintatasolla kylmään ilmaan. Tämä saa sen nousemaan ja jäähtymään, kunnes lämpötila on tasapainossa ympäröivän ilman kanssa korkealla. Kohtalainen epävakaus mahdollistaa kohtalaisen kokoisten kumpupilvien muodostumisen, jotka voivat tuottaa kevyitä sadekuuroja, jos ilmamassa on riittävän kosteaa. Tyypillinen konvektio upcurrens voi sallia pisaroiden kasvaa säde on noin 0,015 millimetriä (0,0006 tuumaa) ennen saostumista kuin suihkut. Näiden pisaroiden vastaava läpimitta on noin 0,03 millimetriä (0,001 tuumaa).

jos lähellä pintaa oleva ilma muuttuu erittäin lämpimäksi ja epävakaaksi, sen ylöspäin suuntautuva liike voi muuttua melko räjähdysmäiseksi, mikä johtaa jyrkkään cumulonimbiformiseen pilveen, joka voi aiheuttaa Ankaran sään. Kun pilven muodostavat pienet vesihiukkaset ryhmittyvät yhteen muodostaen sadepisaroita, painovoima vetää ne maahan. Tavallisesti pisarat haihtuvat tiivistymisasteen alapuolella, mutta voimakkaat nousuvirtaukset puskuroivat putoavia pisaroita ja voivat pitää ne ilmassa paljon kauemmin kuin muuten. Rajut nousuvedet voivat nousta jopa 180 mailin tuntinopeuteen (290 km/h). Mitä kauemmin sadepisarat pysyvät ilmassa, sitä enemmän niiden on kasvettava suuremmiksi pisaroiksi, jotka lopulta putoavat voimakkaina sadekuuroina.

sadepisarat, jotka kulkeutuvat selvästi jäätymiskorkeuden yläpuolelle, tulevat ensin ylijäähtyneiksi ja jäätyvät sitten pieniksi rakeiksi. Jäätynyt jääydin voi nousta 1,3 senttimetrin kokoiseksi kulkiessaan yhden näistä nousuvirtauksista läpi, ja se voi kiertää useita nousuvirtauksia ja laskuvirtauksia ennen kuin se lopulta muuttuu niin painavaksi, että se putoaa maahan suurina rakeina. Raekiven halkaiseminen kahtia osoittaa sipulimaisia jääkerroksia, mikä osoittaa selvästi, milloin se kulki superjäähdytteisen vesikerroksen läpi. On löydetty raekiviä, joiden läpimitta on jopa 18 senttimetriä.

konvektiivinen nosto voi tapahtua epävakaassa ilmamassassa hyvin kaukana mistä tahansa rintamasta. Rintamien ja matalapainekeskusten ympärillä voi kuitenkin olla myös hyvin lämmintä epävakaata ilmaa, joka usein tuottaa cumuliformisia ja cumulonimbiformisia pilviä raskaampina ja aktiivisempina pitoisuuksina etu-ja konvektiivisten nostoaineiden yhdistämisen vuoksi. Kuten ei-frontaalisessa konvektiivisessa nosteessa, lisääntyvä epävakaus edistää ylöspäin suuntautuvaa pystysuuntaista pilvien kasvua ja lisää mahdollisuutta ankaraan säähän. Verrattain harvoin konvektiivinen noste voi olla niin voimakas, että se läpäisee tropopaussin ja työntää pilven yläosan stratosfääriin.

Orografinen liftEdit

kolmas nosteen lähde on tuulen kierto, joka pakottaa ilman fysikaalisen esteen, kuten vuoren, yli (orografinen hissi). Jos ilma on yleensä vakaata, ei muodostu mitään muuta kuin linssimäisiä lakkipilviä. Jos ilma kuitenkin muuttuu riittävän kosteaksi ja epävakaaksi, voi esiintyä orografisia sadekuuroja tai ukkosia.

tuulinen iltahämärä parantaa auringon kulmaa, voi visuaalisesti jäljitellä orografisen nosteen aiheuttamaa tornadoa

Ei-adiabaattinen jäähdytysedit

yhdessä nostoainetta vaativan adiabaattisen jäähdytyksen kanssa ilman lämpötilan laskemiseen kastepisteeseen on kolme muuta päämekanismia, jotka kaikki tapahtuvat lähellä maanpintaa eivätkä vaadi ilman nostamista. Sähköä johtava, säteilevä ja haihtumisjäähdytys voi aiheuttaa pinnan tasolla tiivistymistä, mikä johtaa sumun muodostumiseen. Johtava jäähdytys tapahtuu, kun ilma suhteellisen leudolta lähtöalueelta joutuu kosketuksiin kylmemmän pinnan kanssa, kuten kun leuto meri-ilma liikkuu kylmemmän maa-alueen yli. Säteilyjäähdytys johtuu infrapunasäteilyn emissiosta joko ilmassa tai pinnan alla. Tällainen viileneminen on yleistä yöllä, kun taivas on selkeä. Haihtumisjäähdytys tapahtuu, kun ilmaan lisätään haihduttamalla kosteutta, joka pakottaa ilman lämpötilan jäähtymään märkälämpötilaansa tai joskus kyllästymispisteeseen.

ilmankosteuden lisääminen

on olemassa viisi pääasiallista tapaa, joilla vesihöyryä voidaan lisätä ilmaan. Lisääntynyt höyryn pitoisuus voi johtua Tuulen konvergenssi yli veden tai kostea maa alueille ylöspäin liikettä. Myös ylhäältä putoava saostuma eli virga lisää kosteuspitoisuutta. Päivälämmitys saa veden haihtumaan merten pinnasta, vesistöistä tai märästä maasta. Toinen tyypillinen vesihöyryn lähde on kasvien aiheuttama hikoilu. Lopuksi lämpimämmän veden yllä liikkuva viileä tai kuiva ilma muuttuu kosteammaksi. Kuten päivälämmityksessä, kosteuden lisääminen ilmaan lisää sen lämpösisältöä ja epävakautta ja auttaa käynnistämään ne prosessit, jotka johtavat pilven tai sumun muodostumiseen.

Supersaturaatioedit

veden määrä, joka voi esiintyä höyrynä tietyssä tilavuudessa, kasvaa lämpötilan myötä. Kun vesihöyryn määrä on tasapainossa veden tasaisen pinnan yläpuolella, höyrynpaineen tasoa kutsutaan kylläisyydeksi ja suhteellinen kosteus on 100%. Tässä tasapainotilassa on yhtä monta molekyyliä haihtumassa vedestä, kun ne tiivistyvät takaisin veteen. Jos suhteellinen kosteus on suurempi kuin 100%, sitä kutsutaan supersaturated. Supersaturaatio tapahtuu tiivistymisytimien puuttuessa.

koska kylläisyyshöyryn paine on verrannollinen lämpötilaan, kylmällä ilmalla on alhaisempi kyllästymispiste kuin lämpimällä ilmalla. Näiden arvojen ero on pilvien muodostumisen perusta. Kun tyydyttynyt ilma jäähtyy, se ei voi enää sisältää samaa määrää vesihöyryä. Jos olosuhteet ovat oikeat, ylimääräinen vesi tiivistyy ilmasta, kunnes saavutetaan alempi kyllästymispiste. Toinen mahdollisuus on, että vesi pysyy höyrymuodossa, vaikka se on kylläisyyspisteen tuolla puolen, jolloin syntyy supersaturaatio.

yli 1-2%: n Supersaturaatio suhteessa veteen on harvoin havaittavissa ilmakehässä, koska pilvien tiivistymisytimiä esiintyy yleensä. Paljon korkeammat supersaturaatioasteet ovat mahdollisia puhtaassa ilmassa, ja ne ovat pilvikammion perusta.

ei ole olemassa mittalaitteita, joilla voitaisiin mitata supersaturaatiota pilvissä.

SupercoolingEdit

vesipisarat jäävät yleensä nestemäiseksi vedeksi eivätkä jäädy, jopa selvästi alle 0 °C (32 °F). Ilmakehän pisarassa mahdollisesti olevat jääytimet aktivoituvat jään muodostukseen tietyissä lämpötiloissa 0 °C: n (32 °F) ja -38 °C: n (-36 °F) välillä riippuen ytimen geometriasta ja koostumuksesta. Ilman jään ytimiä, alijäähtyneitä vesipisaroita (samoin kuin mitä tahansa erittäin puhdasta nestemäistä vettä) voi olla noin -38 °C (-36 °F) asti, jolloin tapahtuu spontaani jäätyminen.

Collision-coalescenceEdit

yksi teoria, joka selittää, miten yksittäisten pisaroiden käyttäytyminen pilvessä johtaa saostumisen muodostumiseen, on törmäys-koalescenssi. Ilmassa leijuvat pisarat vuorovaikuttavat keskenään joko törmäämällä toisiinsa ja kimpoamalla toisistaan tai yhdistymällä muodostaen suuremman pisaran. Lopulta pisaroista tulee niin suuria, että ne putoavat maahan sateena. Törmäyshalkeuma ei muodosta merkittävää osaa pilvien muodostumisesta, sillä vesipisaroilla on suhteellisen suuri pintajännitys. Lisäksi törmäyshalkeuman esiintyminen liittyy läheisesti sekoittumisprosesseihin.

Bergeron processEdit

ensisijainen mekanismi jääpilvien muodostumiselle löysi Tor Bergeron. Bergeron-prosessi toteaa, että veden kyllästymishöyryn paine tai kuinka paljon vesihöyryä tietty määrä voi sisältää, riippuu siitä, mitä höyry on vuorovaikutuksessa. Erityisesti kylläisyyshöyryn paine jään suhteen on pienempi kuin kylläisyyshöyryn paine veden suhteen. Vesihöyry vuorovaikutuksessa vesipisaran voi olla kylläinen, 100% suhteellinen kosteus, kun vuorovaikutuksessa vesipisaran, mutta sama määrä vesihöyryä olisi ylikyllästetty, kun vuorovaikutuksessa jään hiukkasen. Vesihöyry pyrkii palaamaan tasapainoon, jolloin ylimääräinen vesihöyry tiivistyy jääksi hiukkasen pinnalle. Nämä jäähiukkaset päätyvät suurempien jääkiteiden ytimiksi. Tämä prosessi tapahtuu vain lämpötilassa 0 °C (32 °F) ja -40 °C (-40 °F). Alle -40 °C (-40 °F), nestemäinen vesi spontaanisti nukleoituu ja jäätyy. Veden pintajännityksen ansiosta pisara pysyy nestemäisenä selvästi normaalin jäätymispisteensä alapuolella. Kun näin tapahtuu, se on nyt ylijäähtynyttä nestemäistä vettä. Bergeron-prosessi perustuu superjäähdytteiseen nestemäiseen veteen (SLW), joka vuorovaikuttaa jään ytimien kanssa muodostaen suurempia hiukkasia. Jos jään ytimiä on vähän verrattuna SLW: n määrään, pisaroita ei pääse muodostumaan. Prosessia, jossa tiedemiehet kylvävät pilven tekojään ytimillä, jotta se edistäisi sadetta, kutsutaan pilvien kylvöksi. Tämä voi osaltaan aiheuttaa sateita pilvissä, jotka muuten eivät välttämättä sada. Pilvikylvö lisää ylimääräisiä tekojään ytimiä, jotka siirtävät tasapainoa niin, että ytimiä on paljon verrattuna superjäähdytteisen nestemäisen veden määrään. Yli kylvetty pilvi muodostaa monia hiukkasia, mutta jokainen on hyvin pieni. Tämä voidaan tehdä ennaltaehkäisevänä toimenpiteenä alueilla, jotka ovat vaarassa raemyrskyjen.