koellucht naar het dauwpunt
media
adiabatische koeling: oplopende pakjes vochtige airEdit
als water verdampt uit een gebied van het aardoppervlak, wordt de lucht over dat gebied vochtig. Vochtige lucht is lichter dan de omringende droge lucht, waardoor een onstabiele situatie ontstaat. Wanneer er voldoende vochtige lucht is opgehoopt, stijgt alle vochtige lucht als één pakket, zonder zich te mengen met de omringende lucht. Naarmate meer vochtige lucht zich langs het oppervlak vormt, herhaalt het proces zich, wat resulteert in een reeks discrete pakketten vochtige lucht die opstijgen om wolken te vormen.
dit proces vindt plaats wanneer een of meer van de drie mogelijke hijsmiddelen—cyclonisch/frontaal, convectief of orografisch—lucht met onzichtbare waterdamp doet stijgen en afkoelen tot het dauwpunt, de temperatuur waarbij de lucht verzadigd raakt. Het belangrijkste mechanisme achter dit proces is adiabatische koeling. De atmosferische druk neemt af met de hoogte, dus de stijgende lucht zet uit in een proces dat energie verbruikt en de lucht laat afkoelen, waardoor waterdamp condenseert tot wolk. Waterdamp in verzadigde lucht wordt normaal aangetrokken door condensatiekernen zoals stof en zoutdeeltjes die klein genoeg zijn om door de normale luchtcirculatie omhoog te worden gehouden. De waterdruppels in een wolk hebben een normale straal van ongeveer 0,002 mm. De druppels kunnen botsen om grotere druppels te vormen, die omhoog blijven zolang de snelheid van de stijgende lucht in de wolk gelijk is aan of groter is dan de eindsnelheid van de druppels.
voor niet-convectieve wolken wordt de hoogte waarop condensatie begint plaats te vinden het lifted condensation level (LCL) genoemd, dat ruwweg de hoogte van de wolkenbasis bepaalt. Vrije convectieve wolken vormen zich over het algemeen op de hoogte van het convectieve condensatieniveau (CCL). Waterdamp in verzadigde lucht wordt normaal aangetrokken door condensatiekernen zoals zoutdeeltjes die klein genoeg zijn om door de normale luchtcirculatie omhoog gehouden te worden. Als het condensatieproces plaatsvindt onder het vriesniveau in de troposfeer, helpen de kernen de damp om te zetten in zeer kleine waterdruppels. Wolken die zich net boven het vriespunt vormen, bestaan meestal uit onderkoelde vloeibare druppels, terwijl die die op grotere hoogtes condenseren waar de lucht veel kouder is, meestal de vorm aannemen van ijskristallen. Een afwezigheid van voldoende condensatiedeeltjes op en boven het condensatieniveau zorgt ervoor dat de stijgende lucht oververzadigd wordt en de vorming van wolken wordt geremd.
frontale en cyclonische liftEdit
frontale en cyclonische lift treden op in hun zuiverste manifestaties wanneer stabiele lucht, die weinig of geen oppervlakteverwarming heeft ondergaan, naar boven wordt gedwongen op weersfronten en rond lage drukcentra. Warme fronten geassocieerd met extratropische cyclonen hebben de neiging om meestal cirriform en stratiform wolken te genereren over een breed gebied, tenzij de naderende warme luchtmassa onstabiel is, in welk geval cumulus congestus of cumulonimbus wolken meestal zullen worden ingebed in de belangrijkste neerslaan wolkenlaag. Koude fronten zijn meestal sneller bewegend en genereren een smallere lijn van wolken die meestal stratocumuliform, cumuliform, of cumulonimbiform zijn afhankelijk van de stabiliteit van de warme lucht massa net voor de voorkant.
convectieve liftEdit
een ander middel is de drijvende convectieve opwaartse beweging die wordt veroorzaakt door significante zonneverwarming overdag op het oppervlak of door een relatief hoge absolute vochtigheid. Binnenkomende kortegolf straling gegenereerd door de zon wordt opnieuw uitgezonden als lange-golf straling wanneer het aardoppervlak bereikt. Dit proces verwarmt de lucht die het dichtst bij de grond ligt en verhoogt de instabiliteit van de luchtmassa door een steilere temperatuurgradiënt te creëren van warm of heet op oppervlakteniveau tot koud in de lucht. Dit zorgt ervoor dat het stijgt en afkoelt totdat het temperatuurevenwicht is bereikt met de omringende lucht naar boven. Matige instabiliteit zorgt voor de vorming van cumuliforme wolken van matige grootte die lichte Douches kunnen produceren als de luchtmassa voldoende vochtig is. Typische convectie upcurrents kunnen de druppels te groeien tot een straal van ongeveer 0,015 millimeter (0,0006 in) alvorens neerslaan als Douches. De equivalente diameter van deze druppels is ongeveer 0,03 millimeter (0,001 in).
als de lucht in de buurt van het oppervlak extreem warm en onstabiel wordt, kan de opwaartse beweging behoorlijk explosief worden, wat resulteert in torenhoge cumulonimbiforme wolken die zwaar weer kunnen veroorzaken. Als kleine waterdeeltjes die samen de wolkengroep vormen, worden ze door de zwaartekracht naar de aarde getrokken. De druppels zouden normaal verdampen onder het condensatieniveau, maar sterke opwaartse luchtstromen bufferen de vallende druppels, en kunnen ze veel langer boven houden dan ze anders zouden doen. Gewelddadige opwaartse luchtstromen kunnen snelheden bereiken tot 180 mijl per uur (290 km/u). Hoe langer de regendruppels omhoog blijven, hoe meer tijd ze hebben om uit te groeien tot grotere druppels die uiteindelijk vallen als zware regenbuien.
regendruppels die ruim boven het vriespunt worden vervoerd, worden eerst onderkoeld en bevriezen vervolgens tot kleine hagel. Een bevroren ijskern kan 0,5 inch (1,3 cm) in grootte opnemen die door één van deze opwaartse en neerwaartse luchtstromen reist en kan door verscheidene opwaartse en neerwaartse luchtstromen fietsen alvorens uiteindelijk zo zwaar te worden dat het als grote hagel op de grond valt. Het doormidden snijden van een hagelsteen toont uiachtige lagen ijs, wat duidelijk aangeeft wanneer het door een laag supergekoeld water ging. Hagelstenen zijn gevonden met diameters tot 18 cm (7 inches).
convectieve lift kan optreden in een onstabiele luchtmassa ver van alle fronten. Echter, zeer warme onstabiele lucht kan ook aanwezig zijn rond fronten en lagedrukcentra, vaak het produceren van cumuliform en cumulonimbiform wolken in zwaardere en meer actieve concentraties als gevolg van de gecombineerde frontale en convectieve liftmiddelen. Net als bij een niet-frontale convectieve lift, bevordert de toenemende instabiliteit verticale opwaartse wolkengroei en verhoogt het potentieel voor zwaar weer. In relatief zeldzame gevallen kan convectieve lift krachtig genoeg zijn om door de tropopauze te dringen en de wolkentop in de stratosfeer te duwen.
orografische lift
een derde bron van lift is windcirculatie die lucht over een fysieke barrière zoals een berg (orografische lift) dwingt. Als de lucht over het algemeen stabiel is, zal er niets meer dan lensvormige cap wolken ontstaan. Als de lucht echter voldoende vochtig en onstabiel wordt, kunnen orografische buien of onweersbuien optreden.
niet-adiabatische koelingedit
samen met adiabatische koeling waarvoor een hefmiddel nodig is, zijn er drie andere belangrijke mechanismen om de temperatuur van de lucht tot het dauwpunt te verlagen, die allemaal op het niveau van het oppervlak voorkomen en geen luchtophoping vereisen. Geleidende, radiationele en verdampingskoeling kan condensatie op oppervlakteniveau veroorzaken, wat resulteert in de vorming van mist. Geleidende koeling vindt plaats wanneer lucht uit een relatief mild brongebied in contact komt met een kouder oppervlak, zoals wanneer milde zeelucht over een kouder landoppervlak beweegt. Radiationele koeling vindt plaats als gevolg van de emissie van infrarode straling, hetzij door de lucht of door het oppervlak eronder. Dit type van koeling is gebruikelijk tijdens de nacht wanneer de hemel helder is. Verdampingskoeling gebeurt wanneer vocht wordt toegevoegd aan de lucht door verdamping, die de luchttemperatuur dwingt om af te koelen tot de natte boltemperatuur, of soms tot het punt van verzadiging.
vocht toevoegen aan de airEdit
er zijn vijf manieren waarop waterdamp aan de lucht kan worden toegevoegd. Verhoogde dampinhoud kan het gevolg zijn van windconvergentie over water of vochtige grond in gebieden met opwaartse beweging. Neerslag of virga vallen van boven verhoogt ook het vochtgehalte. Overdag verhitting zorgt ervoor dat water verdampt van het oppervlak van oceanen, waterlichamen of nat land. Transpiratie uit planten is een andere typische bron van waterdamp. Ten slotte wordt koele of droge lucht die over warmer water beweegt vochtiger. Net als bij het verwarmen overdag, verhoogt de toevoeging van vocht aan de lucht het warmtegehalte en de instabiliteit en helpt deze processen die leiden tot de vorming van wolken of mist in gang te zetten.
Supersaturatiedit
de hoeveelheid water die kan bestaan als damp in een bepaald volume neemt toe met de temperatuur. Wanneer de hoeveelheid waterdamp in evenwicht is boven een vlak wateroppervlak wordt het niveau van de dampdruk verzadiging genoemd en is de relatieve vochtigheid 100%. Bij dit evenwicht zijn er gelijke aantallen moleculen die verdampen uit het water als er terug condenseren in het water. Als de relatieve vochtigheid groter wordt dan 100%, wordt het oververzadigd genoemd. Oververzadiging vindt plaats bij afwezigheid van condensatiekernen.
omdat de verzadigingsdampdruk evenredig is met de temperatuur, heeft koude lucht een lager verzadigingspunt dan warme lucht. Het verschil tussen deze waarden is de basis voor de vorming van wolken. Wanneer verzadigde lucht afkoelt, kan deze niet meer dezelfde hoeveelheid waterdamp bevatten. Als de omstandigheden goed zijn, zal het overtollige water uit de lucht condenseren totdat het lagere verzadigingspunt is bereikt. Een andere mogelijkheid is dat het water in dampvorm blijft, ook al is het voorbij het verzadigingspunt, wat resulteert in oververzadiging.
in de atmosfeer wordt zelden een oververzadiging van meer dan 1-2% ten opzichte van water waargenomen, aangezien er meestal wolkencondensatiekernen aanwezig zijn. Veel hogere graden van oververzadiging zijn mogelijk in schone lucht, en vormen de basis van de wolkenkamer.
er zijn geen instrumenten om oververzadiging in wolken te meten.
Superkoelingdit
waterdruppels blijven gewoonlijk als vloeibaar water achter en bevriezen niet, zelfs niet ruim onder 0 °C. Ijskernen die aanwezig kunnen zijn in een atmosferische druppel worden actief voor ijsvorming bij specifieke temperaturen tussen 0 °C (32 ° F) en -38 °C (-36 °F), afhankelijk van de geometrie en samenstelling van de kern. Zonder ijskernen kunnen onderkoelde waterdruppels (evenals elk extreem zuiver vloeibaar water) bestaan tot ongeveer -38 °C (-36 °F), op welk punt spontane bevriezing optreedt.
Collision-coalescence edit
een theorie die uitlegt hoe het gedrag van individuele druppels in een wolk leidt tot de vorming van neerslag is het collision-coalescence proces. Druppeltjes die in de lucht hangen, interageren met elkaar, hetzij door tegen elkaar te botsen en tegen elkaar te stuiteren, hetzij door te combineren tot een grotere druppel. Uiteindelijk worden de druppels groot genoeg om als Neerslag op de aarde te vallen. Het botsings-coalescentieproces maakt geen significant deel uit van de wolkenvorming, omdat waterdruppels een relatief hoge oppervlaktespanning hebben. Bovendien is het optreden van botsing-coalescentie nauw verbonden met entrainment-mengen processen.
Bergeron processEdit
het primaire mechanisme voor de vorming van ijswolken werd ontdekt door Tor Bergeron. Het Bergeron proces merkt op dat de verzadiging dampdruk van water, of hoeveel waterdamp een bepaald volume kan bevatten, afhankelijk is van wat de damp interactie met. In het bijzonder is de verzadigingsdampdruk ten opzichte van ijs lager dan de verzadigingsdampdruk ten opzichte van water. Waterdamp in wisselwerking met een waterdruppel kan verzadigd zijn, bij 100% relatieve vochtigheid, wanneer interactie met een waterdruppel, maar dezelfde hoeveelheid waterdamp zou oververzadigd zijn wanneer interactie met een ijsdeeltje. De waterdamp zal proberen om terug te keren naar evenwicht, zodat de extra waterdamp zal condenseren in ijs op het oppervlak van het deeltje. Deze ijsdeeltjes eindigen als de kernen van Grotere ijskristallen. Dit proces gebeurt alleen bij temperaturen tussen 0 °C (32 ° F) en -40 °C (-40 °F). Onder -40 °C (-40 °F), vloeibaar water zal spontaan nucleate, en bevriezen. De oppervlaktespanning van het water zorgt ervoor dat de druppel vloeibaar blijft tot ver onder het normale vriespunt. Wanneer dit gebeurt, is het nu onderkoeld vloeibaar water. Het Bergeron-proces is gebaseerd op supergekoeld vloeibaar water (SLW) dat in wisselwerking staat met ijskernen om grotere deeltjes te vormen. Als er weinig ijs kernen in vergelijking met de hoeveelheid SLW, druppels niet zal kunnen vormen. Een proces waarbij wetenschappers een wolk met kunstmatige ijskernen zaaien om Neerslag te stimuleren, wordt wolkenzaaien genoemd. Dit kan helpen neerslag veroorzaken in wolken die anders niet kunnen regenen. Wolken zaaien voegt overtollige kunstmatige ijs kernen die de balans verschuift, zodat er veel kernen in vergelijking met de hoeveelheid super gekoeld vloeibaar water. Een overzaaide wolk zal veel deeltjes vormen, maar elk zal heel klein zijn. Dit kan worden gedaan als preventieve maatregel voor gebieden die risico lopen op hagelstormen.