Tema: Microfísica 2º Cuatrimestre 2010 Paola Salio Física de la Atmósfera Tema: Microfísica 2º Cuatrimestre 2010 Paola Salio

Hasta ahora hemos visto distintos procesos relacionados con la fase liquida en la nube. Hemos visto que las gotas de nube se forman un poco por arriba del NCA cuando se alcanzan sobre saturaciones cercanas a 1%. Algunas veces si la cantidad de nucleos de condensacion es muy grande es posible observar a saturaciones menores presencia de gotitas suspendidas como la posibilidad de niebla o bruma.

Formación de Cristales de Hielo Método #1: Nucleación Homegénea Involucra a gotas sobreenfriadas a temperaturas menores a 0ºC que no contienen partículas asociadas a los núcleos glaciógenos (ej.., polvo, aerosoles, bacterias) Resultados de Laboratorio: Nucleación espontánea Ocurre a -36ºC para gotas de radio entre 20 μm y 60 μm Ocurre a -39ºC cercano a 1 μm Solo ocurre en nubes muy altas!!! La barrera de enegía a superar es para un germen esférico Por esto…. No existe posibilidad de formación de germenes de hielo a las velocidades observadas en la realidad. Es necesario incluir la fase del hielo en la microfísica, mucho de lo estudiado relativo a la fase hielo es estudiado en el laboratorio, ya que no existen gran cantidad de observaciones relativo a las cristales de hielo. La nucleación heterogénea del hielo se demuestra en laboratorio que solo se alcanza a temperaturas muy bajas del orden de los -40C para gotas de nube pequeñas. Al igual que para un germen de agua se puede calcular el caso del germen de hielo. Existe temperaturas donde se forma el hielo mucho menores donde principalmente conviven la fase hielo y agua en conjunto.

Por esto….surgen las siguientes preguntas en base a las observaciones… Cómo se observan cristales entre 0ºC y -35ºC? Cómo se obtienen los copos de nieve? As observaciones muestran entre 0 y -15ºC 1 cristal por cada 106 gotas de H20 Existen solo sobresaturaciones de orden del 1% mientras es posible observar sobreenfriamientos de -15C Esta temperatura basicamente esta entre -10 y -20 grados donde conviven ambas fases

Formación de Cristales de Hielo Método #2: Nucleación Heterogénea La glaciacion es mas eficiente en los casos que el nucleo de congelacion funciona por contacto mas que por generarse a partir de una solucion. En general se produce deposito de vapor sobre el nucleo, congelacion a partir de una gota o congelacion espontanea a partir del contacto

Ejemplos…. Hobbs and Rangno 1990

Formación de Cristales de Hielo Método #2: Nucleación Heterogénea Existen muy pocos nucleos de glaciacion en la atmosfera comparado con los nucleos de condensacion, haciendo mucho mas posible los sobre-enfriamientos que las sobre-saturaciones. El nucleo de congelacion mas comun es la kaolinite (kaolina) q es una sustancia organica asociada a la arcilla que es transportada a la atmosfera por el viento. Aunque uno de los mas eficientes es el asociado a ioduro de plata, muy usado en la siembra de nubes. Las temperaturas de glaciacion dependen de las distintas sustancias. Existe 1 núcleo glaciógeno por cada litro de aire mientra existen 105 núcleos de condensación por litro

Gotas sobre-enfriadas que contienen un ICN Liberación de calor latente Formación de Cristales de Hielo Método #2: Nucleación Heterogénea Involucra gotas sobre-enfriadas a temperaturas por debajo de 0ºC que contienen una partícula insoluble como núcleo glacióneno Gotas sobre-enfriadas que contienen un ICN Molécula de agua congelada Molécula de agua que se aproxima La nucleacion que se relaciona con gotas sobre-enfriadas produce cristales de hielo a partir de una gota sobre-enfriada, y en el diagrama es posible observar q las gotas que contienen NG pueden formarse mucho antes que en el caso de la nucleación homogénea. Se observa una importante liberación de calor latente que es inferior al caso donde los cristales se forman por difusión de vapor. La formación congelacion de gotitas tiende a formar nieve tipo esferas de tamaño muy pequeño que luego por acreción puede llegar a formar graupel. NG Cristales de hielo pueden formarse a temperaturas mas cálidas cuando los NG estan presentes Liberación de calor latente

Crecimiento de Cristales de Hielo Método #1: Depósito de Vapor. Bergeron - Findensen Involucra moléculas de vapor y la presencia de un núcleo glaciógeno en un entorno sobre-saturado respecto del hielo Líquido Hielo es Vapor es sobre-enfriado > es hielo El crecimiento de los cristales de hielo en general se genera por el proceso de Bergeron – Findense donde se involucra a núcleos glaciógenos con un entorno sobre saturado respecto del hielo. Si el valor de e esta entre es sobre – enfriado < e < es hielo. El entorno esta sobre saturado respecto del vapor y subsaturado respecto del h20 sobre enfriada. Esto genera un gradiente de presión que tiende a evaporar las gotas de agua y a depositar vapor sobre la superficie y esto genera este proceso es el mas eficiente en el crecimiento de los cristales de hielo T En una fase mixta de vapor agua sobreenfriada y hielo se forma un gradiente de presión del agua hacia el hielo. Haciendo que crezcan las particulas de hielo. El vapor se desplaza hacia las partículas de hielo y las gotas empiezan a evaporar

Sublimando sobre el Núcleo Crecimiento de Cristales de Hielo Método #1: Depósito de Vapor Involucra moléculas de vapor y la presencia de un núcleo glaciógeno en un entorno sobre-saturado respecto del hielo m = masa de cristal de hielo S = super-saturación del hielo C = capacidad eléctrica (basado en la forma del Nucleo glaciógeno) FK = tasa de difusión de calor FD = tasa de difusión de vapor Crecimiento del cristal depende de : 1. Temperatura del aire 2. Humedad del aire 3. Forma del núcleo glaciógeno Mólecula de Vapor Sublimando sobre el Núcleo Como se inicia el crecimiento de los cristales en un entorno con presencia de gotas sobreenfriadas y vapor de agua sobresaturado. Al igual que para las gotas podemos llegar a la expresión de crecimiento de los cristales donde es necesario tener en cuenta la forma del cristal a traves del coeficiente C que depende. NG Gran liberación de Calor Latente

Observados en Laboratorio Crecimiento de Cristales de Hielo Método #1: Depósito de Vapor La forma preferida en el crecimiento del cristal depende de la temperatura del aire Esta es la forma mas común de crecimiento Dendrite Hexagonal Plate Needle / Column Sector Plate Cristales Observados en Laboratorio

Crecimiento de Cristales de Hielo Método #1: Depósito de Vapor Variación inversa con la presión Variación de la tasa con la temperatura Este tratamiento no explica los crecimientos entre uno y otro tipo de cristal, para ello se debe recurrir a una ecuación que tenga en cuenta la estructura molecular

Crecimiento de Cristales Método #2: Acreción de gotas sobre-enfriadas Rimming Los cristales crecen por colisión con gotas sobre-enfriadas que se congelan a medida que hacen contacto con el cristal. Mecanismo eficiente en la formación de graupel y granizo El graupel crece por congelación de gotitas mientras que el granizo crece por congelación de una película de agua Granizo Graupel

Dendritas asociadas a otras mútiples formas Crecimiento de Cristales Método #3: Agregación Cristales de hielo crecen por colección y adherencia con otros cristales, esto tiende a formar copos de nieve esponjosos Principalmente causado por la diferente velocidad de caida de los distintos cristales asociado a su forma Mecanismo eficiente en T< -10C Dendritas asociadas a otras mútiples formas

Crecimiento de una gota que crece por coalescencia y un cristal q crece por difusión con condiciones favorables Crecimiento de una gota que crece por coalescencia y un cristal q crece por difusion con condiciones favorables para ambas situaciones. La gota debe superar el umbral de S> 1 y luego crece rapidamente. Pero a valores pequeños el cristal es capaz de crecer mientras la gota es un germen luego entre 75 segundos y 1000 el cristal es mas grande q la gota luego se invierte. La tasa de crecimiento de cristal es rapida al ppio y luego decae a medida q aumenta el tamaño, por el contraio la gota colecta cada vez mas a otras gotas y aumenta a medida q aumenta su masa aunque luego se estanca. A los 30 minutos el tamaño se equipara en 160 micrones y se inicia una llovizna. A partir de la fleche roja se inicia la precipitación.

Otros Procesos que controlan la formación de precipitación # Fragmentación: gotas grandes que se rompen en gotas pequeñas. Ensanca el espectro y genera nuevas gotas colectoras # Fragmentación de partículas de hielo: siembra de embriones de hielo de niveles mas altos hacia niveles bajos. # Fusión del hielo: a temperaturas superiores a 0ºC # Evaporación de gotas por debajo de la base de la nuebe: fuerte enfiramiento, generación de vapor de agua

Muchas particulas de agua son elevadas por la ascendente a niveles altos y ellas se encuentran con entornos subsaturados para el agua y evaporan pero si esas particulas son de hielo y son transportadas como es sobreenfriada > es hielo entonces puede ser que esten sobresaturadas para el hielo y crecen a expensas de la difusion de vapor hasta tamaños muy grandes que pueden superar los 25 micrones o mas. Luego pueden caer desde niveles muy altos a superficie por peso. Es importante entender q!! Si caen en un entono muy seco evaporaran pero si no puede ser q no evaporen.

Distribución de tamaños de gotas Distribuciones de Gotas de LLuvia Espectro DSD: La mayoria de las gotas son de tamaños pequeños, solo unas pocas pueden superar los 5 mm La ley sigue una distribución exponencial para gotas de diametro superior a 1 mm. Ley de Marshall y Palmer D = diametro de la gota (mm) N(D) = número en función del diámetro No = ordenada al origen Λ = pendiente R = tasa de lluvia (mm/hr) a, b = parametros de ajuste Distribución de tamaños de gotas

Distribuciones de Gotas de LLuvia Ejemplo local 23-10-2009 Buenos Aires

Distribuciones de Gotas de Lluvia Otras variables Usando Marshall – Palmer

Nube Fría Tbase< -5ºC El dominio de cada proceso depende de la LWC, T tope y la base de la nube y la concentración de gotas y cristales Nube Mixta Ttope< -5ºC Tbase> 0ºC Nube Cálida Tbase > 0ºC