¿Por qué el vapor de agua atmosférico necesita partículas de polvo que caen como lluvia?

Question

Agradezco que la lluvia puede caer debido a que el proceso de coalescencia se describe a continuación, pero yo estaba bajo la impresión de que la nucleación de base de todo el polvo de la atmósfera de partículas fue una parte vital del proceso, y es responsable de la mayoría de la lluvia.

Wikipedia Lluvia

La coalescencia se produce cuando las gotas de agua se fusionan para crear gotas de agua más grandes. La resistencia del aire, normalmente hace que las gotas de agua en una nube a permanecer inmóvil. Cuando la turbulencia del aire se produce, las gotas de agua chocan, produciendo gotas más grandes. Como estas gotas de agua más grandes descender, la coalescencia continúa, de modo que las gotas se vuelven lo suficientemente pesado como para superar la resistencia del aire y caen en forma de lluvia. La coalescencia, generalmente ocurre más a menudo en las nubes por encima de la congelación, y es también conocida como la cálida lluvia proceso.

En las nubes por debajo de la congelación, cuando los cristales de hielo suficiente ganancia de masa comienzan a caer. Esto generalmente requiere más masa que la coalescencia cuando se producen entre el cristal y los vecinos de las gotas de agua. Este proceso es dependiente de la temperatura, como gotas de agua sobreenfriada sólo existen en una nube que está por debajo de la congelación. Además, debido a la gran diferencia de temperatura entre la nube y el nivel del suelo, estos cristales de hielo puede derretirse como se caen y se convierten en lluvia.

Formación de Gotas de lluvia

Alrededor de hace un año leí Una Introducción a la Física Térmica: Daniel V. Schroeder y aunque no puedo encontrar el libro en el momento de revisar, estoy bastante seguro de que el autor hizo hincapié en la importancia de polvo atmosférico, es solo que no recuerdo su explicación.

La siembra de nubes por las aeronaves en las zonas propensas a la sequía es otro factor que ilustra la importancia de la nucleación, en este caso el uso de yoduro de plata.

Mis preguntas son:

¿Por qué no las nubes de lluvia más a menudo, como el vapor de agua "gotitas", en forma aleatoria, empujados por el diferencial de calefacción en la nube y la turbulencia del aire, que suele ser mayor en la base de la nube?

¿Por qué la necesidad de que el polvo como el iniciador de la lluvia (y el granizo/ aguanieve)?

Hay una pregunta relacionada con la ¿por Qué la caída de agua como arroyos, pero no la dirección de la siembra problema.

Answer 1

En principio, cuando la concentración de vapor de agua excede la presión de vapor saturado, las gotas deben formar. Pero hay un problema.

Una pequeña gota de agua tiene una cantidad relativamente grande de energía almacenada en la superficie - esto es una consecuencia de la tensión superficial, que tiene unidades de energía por unidad de área. Una pequeña caída, la energía requerida para crear la superficie es grande en comparación a la energía ganada por el agua convirtiéndose en un líquido - el ex escalas con $r^2$ mientras que la última de las escalas con $r^3$, así que por lo suficientemente pequeño $r$ es lógico que la energía de la superficie es mayor que el volumen de energía.

Esto impide que una pequeña gota de la formación, y evita que dos pequeñas gotas de coalescencia en la orden para que dos gotas de convertirse en un gran caída, que tienen que ir a través de una fase en la que el área de la superficie es más grande antes de que se hace más pequeña. El menor tamaño de las gotas, la más grande de este efecto. Ver por ejemplo este artículo si usted quiere un MONTÓN de detalles, o también esta descripción - es mucho más accesible. De todo esto llegamos a la conclusión de que es difícil para una gran caída para formar espontáneamente. Por lo que necesita "algo" que inicia el proceso - un núcleo que ayuda a superar la tensión de la superficie del término, y que permite una gota de conseguir más allá de que la crítica pequeño escenario.

Y por eso es mucho más fácil para que el vapor se condense en pequeñas gotas en la presencia de pequeñas partículas.

Usted podría estar interesado en esta respuesta he escrito antes sobre un tema relacionado - es decir, la formación de niebla en áreas de mucha humedad, con y sin contaminación de partículas.

Answer 2

Formación de gotas comienza cuando $H_2O$ moléculas vienen y se pegan, y el conjunto comienza a crecer mediante la adición de más y más moléculas a sí mismo. El problema es, las moléculas que se han formado un vínculo, puede despegarse de nuevo fácilmente. En la ausencia de aerosoles, por lo tanto, usted necesita una gran cantidad de concentración (lo que es equivalente, de alta presión de vapor) de las moléculas de agua, por lo que algunos razonablemente grande de agregado se puede formar. Lo que un aerosol, el cual debe ser higroscópico, no es que proporciona a los sitios donde la agregación de las moléculas de agua se ha mejorado, debido a que las moléculas no se despegan de la higroscópico aerosol fácilmente (no sé la química de parte de ella, lo siento). Así que, sin la adecuada aerosoles, formación de gotas es prácticamente imposible, por lo que una nube no habría nacido.

Una vez una gotita de tamaño razonable, decir $1~\mu$m, está formado, todavía no está fuera de peligro. En estos pequeños tamaños, sus colisión de la sección transversal es pequeña, por lo que el crecimiento de la colisión no es una opción viable para ellos. También han de seguir el flujo de aire muy de cerca (como un trazador de partícula), reduciendo aún más las posibilidades de colisión. Deben crecer por condensación de vapor de agua, que es un proceso lento de crecimiento, en comparación a lo que puede lograrse por colisión y coalescencia. Es por eso que las nubes no la lluvia a menudo, porque no es esta la primera cuello de botella que hay que superar. Una vez que las gotas crecen a un tamaño de decir acerca de $40~\mu$m, su interacción con la turbulencia en la nube (abierto tema de investigación) aumenta y las colisiones se vuelven más frecuentes. Una vez que las gotas han crecido más allá de decir acerca de $200~\mu$m comienzan a caer y recoger las gotas en su camino y crecer. Usted obtener la lluvia.