5.8: ¿Sabías que la mayoría de las precipitaciones provienen de colisión-coalescencia?
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Existen dos tipos de procesos para el crecimiento en gotas de precipitación: procesos de nubes cálidas y procesos de nubes frías. En nubes cálidas, todos los procesos involucran solo gotas líquidas. En las nubes frías, los procesos pueden involucrar solo partículas sólidas, así como fases mixtas (tanto líquido superenfriado como hielo). Algunos de los procesos más importantes implican colisiones entre gotas, ya sean líquidas o sólidas.
Colisiones
Las colisiones ocurren tanto en nubes frías como cálidas y pueden involucrar gotas líquidas o partículas sólidas o ambas.
- Colisión—Coalescencia: Las gotas de líquido grandes capturan gotas de líquido más pequeñas a medida que cae.
- Riming: La caída de hielo recoge agua líquida, que se congela en su superficie.
- Nucleación de captura: Gran gota de líquido captura pequeñas partículas de hielo, que actúa como núcleo de hielo y hace que la gota grande se congele. La partícula que se recolecta puede ser un núcleo de hielo (IN) o un trozo de hielo, que también es un buen núcleo de hielo. En cualquier caso, la gota de líquido superenfriada se congela al entrar en contacto con el IN.
- Agregación: La caída del copo de nieve recoge otros copos de nieve que se agregan para hacer un haz de copo de nieve más grande.
Para una caída de nubes en reposo, la gravedad es la única fuerza externa. Una vez que la caída de la nube se acelera, entonces la resistencia del aire forma otra fuerza llamada arrastre, que es una función de la velocidad.
En menos de un segundo, la partícula alcanza una velocidad de caída tal que la fuerza de arrastre equilibra exactamente la fuerza gravitacional y la velocidad se vuelve constante. Esta velocidad se llama la velocidad terminal. Por ejemplo, la velocidad terminal de una caída de nubes de 10 μm de radio es de aproximadamente 1 mm s —1, mientras que la velocidad terminal para una caída de 100 μm es de aproximadamente 1 m s —1.
El crecimiento de una caída de nubes en una gota de precipitación por colisión-coalescencia viene dado por la ecuación:
\[\frac{d m_{L}}{d t}=\]Área barrida*eficiencia de la colección*diferencia de velocidad*contenido de agua líquida
\[\frac{d m_{L}}{d t}=A_{g} \cdot E_{c} \cdot\left(v_{L}-v_{s}\right) \cdot L W C\]
\[\frac{d m_{L}}{d t}=\pi\left(r_{L}+r_{s}\right)^{2} \cdot E_{c} \cdot\left(v_{L}-v_{s}\right) \cdot L W C\]
- m L es la masa de la gran gota que está cayendo,
- A g es el área geométrica de la sección transversal para la cual es posible colisiones entre la caída grande y las muchas caídas por debajo,
- E c es la eficiencia de colisión-coalescencia (es decir, una eficiencia de recolección), que es la fracción del área de la sección transversal real que se barre en comparación con el área de la sección transversal que es geométricamente posible (las gotas más pequeñas pueden seguir las líneas de flujo de aire e ir alrededor de la gran caída) (ver la figura a continuación),
- v L es la velocidad de la caída grande y v s es la velocidad de las caídas más pequeñas y más lentas que caen por debajo,
- y LWC es el contenido de agua líquida.
La siguiente figura proporciona una buena imagen conceptual de colisión-coalescencia. La caída del colector debe estar cayendo más rápido que la caída recolectada más pequeña para que las dos puedan chocar. A medida que las líneas de corriente de aire se inclinan alrededor de la gota, llevan las gotas más pequeñas con ellas alrededor de la gota, y la sección transversal efectiva se vuelve menor que la sección transversal real, que es simplemente el área de la sección transversal de un disco con un radio que es la suma de los radios de la gota de colector grande y la gotas recolectadas más pequeñas. A medida que las caídas se hacen más grandes, tienen demasiada inercia para seguir las líneas de corriente aéreas, lo que hace que la colisión sea más probable.
E c es pequeño para gotas de 10 μm, por lo que por un proceso aleatorio, algunas gotas se hacen más grandes que otras y comienzan a recolectar gotas más pequeñas (ver figura a continuación). E c aumenta a medida que aumenta el radio de la caída. Cuando la caída más grande gana un radio de más de 100 μm, su eficiencia de colisión-coalescencia es muy buena para todas las caídas más pequeñas hasta tamaños de aproximadamente 10—20 μm.
Una vez que una caída colectora ha alcanzado un radio de unos pocos cientos de μm, está cayendo rápidamente y su eficiencia de colisión-coalescencia es cercana al 100%. El crecimiento de su radio tiene entonces la forma aproximada:
\[r_{d} \propto \exp (\text {time})\]
Entonces, las gotas de nubes activadas crecen a 10—20 μm por el lento crecimiento de la deposición de vapor (raíz cuadrada del tiempo). Luego, cuando comienza la colisión—coalescencia y produce algunas gotas grandes, pueden crecer exponencialmente con el tiempo.
Las gotas más pequeñas suelen ser esféricas. Una vez que estas gotas llegan a estar por encima de un mm de radio, se distorsionan cada vez más, con un fondo aplanado debido a las fuerzas de arrastre, y se parecen un poco a la mitad superior de un bollo de hamburguesa. Se pueden distorsionar aún más para que la mitad de la forma de bollo sea empujada hacia arriba por las fuerzas de arrastre para que la gota tome una forma que se asemeja a un cuenco al revés.
Eventualmente se rompen, ya sea al adelgazar lo suficiente en el medio como para que se rompan en pedazos o al chocar con otras gotas tan duras que los filamentos o láminas de líquido se rompen para formar otras gotas. Estos procesos crean una amplia gama de tamaños de partículas. Así la lluvia consiste en gotas que tienen un amplio espectro de tamaños. El siguiente video (2:50) titulado “Cómo se forman las gotas de lluvia” comienza con una visión simplificada del ciclo del agua de la atmósfera, pero luego muestra ejemplos de caída de gotas, colisión-coalescencia y ruptura de gotas de nubes.
Cómo se forman las gotas de lluvia
- Haga clic aquí para ver la transcripción de Cómo se forman las gotas de lluvia.
- Ahora esta es una escena familiar. El calor del sol hace que el agua de las plantas, lagos y océanos pase de un líquido a un vapor. En lo alto de la atmósfera, el vapor de agua se enfría y se condensa a partir de un gas de nuevo en un líquido. Luego, el agua líquida vuelve a caer a la superficie en forma de lluvia, nieve, hielo o granizo. El agua corre hacia arroyos lagos y océanos o se almacena en el suelo o en el camino de la nieve. Este es el ciclo del agua y describe nuestro recurso más vital que se mueve a través de todo el sistema terrestre, pero como la mayoría de las cosas en nuestro mundo cuando miramos las pequeñas partes que componen el conjunto podemos aprender mucho más sobre el fenómeno. Toma la forma de una sola gota de lluvia. Pequeñas gotas de agua en la atmósfera son de forma esférica debido a la tensión superficial o piel de las moléculas de agua. A medida que estas gotitas crecen se vuelven más pesadas y comienzan a caer por el aire. A medida que caen, la gota de lluvia choca con otras gotas y sigue haciéndose más grande. Estas gotas de lluvia más grandes caen por el aire más rápido la resistencia al viento en la parte inferior de la gota hace que el fondo de la gota se aplane resultando en una caída que parece un bollo de hamburguesa. A medida que la gota continúa cayendo y creciendo en algún momento se vuelve demasiado grande para que la tensión superficial la mantenga unida, por lo que la gota de lluvia se rompe en gotas de espiral más pequeñas. Investigar los procesos que no podemos ver a simple vista no es nada nuevo. La ciencia y la tecnología se impulsan mutuamente y a menudo conducen a conocimientos y descubrimientos en el camino. Con la invención de la fotografía de alta velocidad finalmente vimos en acción los elementos más básicos de nuestro planeta acuoso. Entender cómo cae una pequeña gota de lluvia por la atmósfera hace más que desmentir el mito de que una gota de lluvia cae como una lágrima. De hecho, marca la diferencia a la hora de medir la precipitación en particular para los radares terrestres. Los radares terrestres miran los lados de las gotas de lluvia y luego estiman los suspiros verticales y horizontales. Una caída más pesada y plana permite que los radares identifiquen precipitaciones más pesadas. De hecho, los dos radares a bordo del satélite GPM también pueden medir tamaños de gota desde el espacio y así una mirada más precisa a las gotas de lluvia nos da una mirada más precisa a cómo se está perfilando la lluvia global. Crédito
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Para el riming, la nucleación de captura y la agregación, existen ecuaciones similares con términos similares a los de la Ecuación 5.16: un área barrida, una eficiencia de recolección, la velocidad relativa y la concentración de masa líquida o sólida de las gotas o hielo más pequeñas. Estos suelen ser un poco más complicados si el hielo no es esférico, pero los conceptos son los mismos. Estos procesos de coalescencia de colisión de hielo son capaces de producir partículas de hielo lo suficientemente grandes como para caer, y si estas partículas se calientan a medida que pasan a través de la parte cálida de la nube, pueden convertirse en lluvia líquida. Una fracción significativa de la lluvia en el verano puede provenir de procesos de colisión de hielo—coalescencia por encima de la línea de congelación en las nubes.