Fizikai sprendžia debesų susidarymo galvosūkį

Vienas didžiausių atmosferos fizikos iššūkių yra paaiškinti, kaip susidaro debesys.

Žinoma, fizikai žino pagrindus: esant tam tikrai temperatūrai ir slėgiui vandens garai kondensuojasi į lašelius, kurie susijungia ir sudaro pakankamai sunkius lietaus lašus, kad nukristų į Žemę.

Velnias slypi detalėse. Šis lašelių agregacijos procesas kartais vyksta taip greitai, kad nepaiso paaiškinimo. Dauguma žmonių per kelias minutes pamatys, kad debesys susiformuoja ir lietus pasirodys beveik iš niekur.

Tyrėjai netgi išmatavo šį procesą. Paprastai jie mato 15 mikrometrų skersmens lašelius – per mažus lietui – greičiau nei per pusvalandį užauga iki 50 mikrometrų ar daugiau. Tai pakankamai didelis, kad sukeltų liūtį.

Kyla klausimas, kaip šis augimas vyksta. Jokie standartiniai lašelių susidarymo modeliai to nepaaiškina (bent jau nesant ledo susidarymo). Tačiau šiandien mes turime sprendimą Vassilios Dallas ir Christos Vassilicos darbo dėka Londono Imperial College.

Šios problemos esmė yra dydis, vadinamas Stokso skaičiumi pagal airių matematiką George'ą Stokesą, kuris jį išrado XIX amžiuje. Stokso skaičius yra bematis dydis, susijęs su inercija, apibūdinantis, kaip vandens lašeliai susitrenkia dujų sraute. Jis labai jautrus šių susidūrimų mastui.

Kai Stokso skaičius yra mažas, lašelis seka dujų srautą, kai jis juda aplink kitą lašelį, todėl jie retai susiduria. Kai skaičius yra didelis, lašeliai turi didesnę inerciją, todėl negali išvengti susidūrimo vienas su kitu.

Čia yra problema. Prieš susiformuojant debesims, lašeliai yra maži, o Stokso skaičius yra mažas. Todėl lašeliai retai susiduria. Susidarius debesims, lašeliai yra dideli, o Stokso skaičius yra didžiulis, o tai reiškia, kad dalelės lengvai susijungia ir sukuria lietų. Bet kaip vyksta šis perėjimas?

Čia yra vištienos ir kiaušinio problema. Lašai negali greitai augti, nebent Stokso skaičius yra didelis, bet Stokso skaičius negali būti didelis, nebent lašeliai yra dideli.

Dalaso ir Vassilicoso proveržis yra parodyti, kaip neramumai keičia šiuos santykius. Jie sako, kad turbulencija atsiranda įvairiuose masteliuose, įskaitant mikrometrines skales, kuriose susidaro lašeliai. Dėl šios turbulencijos susidaro dideli Stokso skaičiaus kitimai mikrometro skalėje. Jie sako, kad dėl to mažyčiai lašeliai dažniau susiduria.

Iš esmės Dalasas ir Vassilicos teigia, kad mikrometro skalės turbulencija pagreitina debesų susidarymą ir sukelia lietaus liūtis.

Tai įdomus, nors ir ne visai netikėtas rezultatas, kuris turėtų lemti geresnes orų prognozes. Galbūt dar svarbiau, kad tai taip pat gali turėti didelės įtakos klimato modeliams. Debesys turi didelę įtaką šviesos kiekiui, kurį Žemė atspindi atgal į kosmosą. Svarbu mokėti geriau apskaičiuoti, kada jie susidaro.

Ir tai užkemša gėdingą skylę mūsų supratimui apie vieną pagrindinių atmosferos reiškinių.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1012.0578 : Lietaus pradžia šiltuose debesyse

paslėpti