Μηχανική Παραγωγή Κρυστάλλων Πάγου σε Σύννεφα
Πάνω από περίπου τέσσερα χιλιόμετρα πάνω στην ατμόσφαιρα, τα σύννεφα αρχίζουν να περιέχουν τόσο σταγονίδια υγρών όσο και κρυστάλλους πάγου. Επειδή συνυπάρχουν δύο φάσεις του νερού, μπορεί να προκύψουν διάφορες ενδιαφέρουσες διεργασίες μικρής κλίμακας στο σύννεφο:σταγονίδια μπορούν να συνενωθούν και οι κρύσταλλοι πάγου να συσσωματωθούν ή σταγονίδια να συγκρουστούν με τους κρυστάλλους πάγου και να παγώσουν ή οι κρύσταλλοι πάγου μπορεί να λιώσουν καθώς ιζηματοποιούνται από το σύννεφο . Αυτές οι διαδικασίες ονομάζονται από κοινού μικροφυσική νέφους και μπορεί να είναι αρκετά δύσκολο να μοντελοποιηθούν.
Οι παγοκρύσταλλοι είναι ιδιαίτερα απαιτητικοί επειδή έχουν μια σειρά από γεωμετρίες από δενδριτικά έως πλάκες ή βελόνες. Σε μεγαλύτερα υψόμετρα, σχηματίζονται θερμοδυναμικά με πυρήνωση όταν ο αέρας είναι υπερκορεσμένος με υδρατμούς. Γενικά, υπάρχει επίσης μια σωματιδιακή επιφάνεια από σκόνη ή αιθάλη ή βακτήρια που χαμηλώνουν το φράγμα ελεύθερης ενέργειας για αλλαγή φάσης. Μας ενδιαφέρει να μοντελοποιήσουμε ένα σύνολο άλλων μηχανικών οδών σχηματισμού πάγου που συμβαίνουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Μέσα στον περίπλοκο κόσμο της μικροφυσικής των νεφών, αυτά τα μονοπάτια αναφέρονται ως δευτερογενής παραγωγή πάγου.
Η δευτερογενής παραγωγή πάγου βασίζεται σε συγκρούσεις για να προκαλέσει θραύση. Για παράδειγμα, εάν ένα σταγονίδιο και ένας κρύσταλλος πάγου συγκρουστούν, το σταγονίδιο μπορεί να αρχίσει να παγώνει, απελευθερώνοντας λανθάνουσα θερμότητα και προκαλώντας συσσώρευση πίεσης που τελικά θρυμματίζει το σταγονίδιο κατάψυξης. Ή αν δύο μεγάλοι κρύσταλλοι πάγου ή σωματίδια γκρουπέλ συγκρουστούν, η πρόσκρουσή τους μπορεί να είναι αρκετή για να σπάσει τα δύο σε πολλά μικρότερα κομμάτια, κάτι παρόμοιο με το PIFF του Bill Watterson! πάνω από αυτό πιτσιλίζει τη χιονόμπαλα παντού.
Για να υπολογίσουμε πόσοι κρύσταλλοι πάγου θα μπορούσαν να σχηματιστούν από αυτές τις διεργασίες, κατασκευάσαμε ένα μοντέλο που παρακολουθεί ένα δέμα αέρα καθώς ανεβαίνει στην ατμόσφαιρα. Οι προσομοιώσεις μας περιλαμβάνουν σχηματισμό σταγονιδίων και πυρήνωση πάγου μαζί με δευτερογενή παραγωγή πάγου. Με το μοντέλο, βρίσκουμε ότι, σε ένα είδος ζώνης Goldilocks όπου η ανοδική ταχύτητα του δέματος και η αρχική του θερμοκρασία είναι ακριβώς η σωστή, ο δευτερεύων πάγος μπορεί να δημιουργήσει 1000 φορές περισσότερους κρυστάλλους από τον πυρήνα μόνο.
Η αναπαράσταση των γεωμετριών των κρυστάλλων πάγου είναι επίσης κρίσιμη. Αν υποθέσουμε ότι οι κρύσταλλοι πάγου είναι σφαίρες, αυτή η 1000-πλάσια ενίσχυση μειώνεται δραματικά. Αλλά αν μοντελοποιήσουμε τους κρυστάλλους πάγου πιο ρεαλιστικά, με επιμήκεις γεωμετρίες όπως η ποικιλία των δενδριτών και των βελόνων που παρατηρούνται στην ατμόσφαιρα, η αύξηση του αριθμού των κρυστάλλων πάγου επανέρχεται.
Μια τόσο μεγάλη, πρόσθετη πηγή ατμοσφαιρικών κρυστάλλων πάγου θα έχει υδρολογικές και ακτινοβολίες στο κλίμα. Συχνά κατακρημνίσεις πάνω από εδαφικές μορφές από τη φάση του πάγου:οι κρύσταλλοι πάγου αναπτύσσονται σε χαμηλές θερμοκρασίες και στη συνέχεια πέφτουν έξω από το σύννεφο για να λιώσουν και να σχηματίσουν βροχή. Έτσι, η αντιπροσώπευση της δευτερογενούς παραγωγής πάγου σε μοντέλα θα μπορούσε να αποφέρει καλύτερες προσομοιώσεις της βροχόπτωσης υπό ορισμένες συνθήκες. Ή περισσότεροι και μικρότεροι κρύσταλλοι πάγου σε ένα σύννεφο μπορεί να έχουν αποτέλεσμα θέρμανσης επειδή οι κρύσταλλοι είναι ως επί το πλείστον διαφανείς στην εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία και ως επί το πλείστον αδιαφανείς στην εξερχόμενη επίγεια ακτινοβολία.
Αυτού του είδους οι επιπτώσεις μεγάλης κλίμακας είναι το εντυπωσιακό μέρος της μικροφυσικής του νέφους:όλα τα μικρά PIFF! των σταγονιδίων και των κρυστάλλων πάγου τέσσερα χιλιόμετρα ψηλότερα μπορούν να αλλάξουν τη θερμοκρασία και τη βροχή που βλέπουμε στην επιφάνεια της Γης.
Αυτή η μελέτη, Διερεύνηση της συμβολής της δευτερογενούς παραγωγής πάγου στους αριθμούς κρυστάλλων πάγου μέσα στο σύννεφο δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Geophysical Research:Atmospheres .
