5.7: Deposición de vapor

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El crecimiento de la caída de la nube depende inicialmente de la deposición de vapor, donde el vapor de agua se difunde hacia la caída de la nube, se pega, y así la hace crecer. La sobresaturación del ambiente,\(s_{env}\), debe ser mayor que\(s_k\) para que esto suceda, pero a medida que la caída continúa creciendo, se\(s_k\) acerca a 0 (es decir,\(e_{eq}\) se acerca\(e_s\)), por lo que cantidades menores de supersaturación aún permiten que la caída de la nube crezca. Derivar la ecuación real para el crecimiento es complejo, pero los conceptos físicos son sencillos.

La tasa de crecimiento (dm _d /dt, donde m _d es la masa de la gota) es proporcional a s _env — s _k. Físicamente, esta afirmación significa que cuanto mayor sea la diferencia entre la sobresaturación en el ambiente y la sobresaturación en la superficie de la partícula, más rápido el vapor de agua se difundirá y se adherirá a la superficie. Por ejemplo, si s _env equivalía a s _k, entonces la evaporación y condensación del agua en la superficie de la partícula serían iguales y no habría crecimiento masivo.
A medida que el vapor de agua se difunde a la gota y forma agua, se libera energía (es decir, calor latente de condensación) y esto eleva la temperatura de la superficie de caída de la nube, T _sfc, de modo que T _sfc > T _env . Pero se produce un flujo de energía hacia afuera y es proporcional a T _sfc — T _env. Físicamente, esta afirmación significa que la partícula y las moléculas de aire que la rodean son calentadas por la liberación latente de calor. Estas moléculas más cálidas pierden parte de esta energía al chocar con las moléculas más frías más alejadas de la partícula y las calientan aumentando su energía cinética (Figura\(\PageIndex{1}\)).

2019-08-16 7.24.22.png — Figura\(\PageIndex{1}\): Esquema de los dos procesos físicos en el crecimiento de una caída de nubes por deposición de vapor. Una es la deposición de vapor y la otra es la transferencia del calentamiento por condensación a la atmósfera; Crédito: W. Brune (después de Lamb y Verlinde)

Cuando tenemos en cuenta tanto el flujo de moléculas de agua hacia la superficie de caída de la nube como el flujo de energía que se aleja de la superficie, podemos demostrar que:

\[\frac{d m_{d}}{d t}=4 \pi r_{d} \rho_{l} G(T, p)\left(s_{e n v}-s_{k}\right)\]

donde G es un coeficiente que es función de T y p, ρ _L es la densidad del agua líquida, y las otras variables ya han sido definidas. G incorpora los efectos del transporte masivo de moléculas de vapor de agua a la superficie y el transporte del calor generado en la condensación lejos de la superficie de la partícula. Como resultado, el radio de caída crece como la raíz cuadrada de un tiempo constante (Figura\(\PageIndex{2}\)).

\[r_{d}=(\mathrm{C} \text { time })^{1 / 2}\]

2019-08-16 7.26.37.png — Figura\(\PageIndex{2}\): Crecimiento de una caída de nubes por deposición de vapor en función del tiempo. Las líneas discontinuas indican el tamaño de caída después de la vida típica de la nube. Crédito: W. Brune

Explicación Física

El radio de caída de la nube nucleada aumenta bastante rápido al principio, pero en cuestión de minutos se ralentiza debido a la dependencia de la raíz cuadrada del tiempo.
Entonces, las caídas de nubes pueden crecer hasta 10—20 μm en aproximadamente 15 minutos, pero luego crecer mucho más lentamente.
Dado que una nube típica solo dura 10 segundos de minutos, no es posible que las gotas de nubes se conviertan en gotas de lluvia solo por deposición de vapor.
La nucleación CCN seguida de deposición de vapor puede hacer nubes, pero no puede hacerlas llover.
Podemos desarrollar una expresión similar para la deposición de vapor sobre hielo, pero el crecimiento deposicional de vapor en hielo es un poco más rápido que en el líquido.

Conclusión

Necesitamos otros procesos para obtener gotas de nubes lo suficientemente grandes como para formar precipitación, ya sea líquida o sólida.