Άρθρα

Μαθήματα μικροφυσικής των νεφών στο παράθυρο ενός αεροπλάνου

Πολλές φορές βλέπουμε να σχηματίζονται κρύσταλλοι πάνω στο παράθυρο του αεροπλάνου. Σε αυτό το σύντομο άρθρο θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε σε δύο ερωτήματα:
1. Πως δημιουργούνται αυτοί οι παγοκρύσταλλοι;
2. Από τι εξαρτάται το σχήμα τους?

Πριν απαντήσουμε σε αυτές τις δύο ερωτήσεις θα πρέπει να εξοικιωθούμε με κάποιους όρους και διαδικασίες.

Η θεωρία Bergeron-Findeisen
Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία [Bergeron, 1935], η τάση των υδρατμών στην επιφάνεια ενός παγοκρυστάλλου είναι αρκετά μικρότερη από αυτήν στην επιφάνεια των μικρότερων νεφοσταγονιδίων. Για να γίνει πιο κατανοητή αυτή η πρόταση αρκεί να φανταστούμε απλουστευμένα ότι ο άερας ασκεί πολύ μικρότερη πίεση στα μόρια μίας ευρείας επιφάνειας σε σχέση με τα μόρια μίας περιορισμέμνης επιφάνειας. Για τον λόγο, λοιπόν, αυτόν, δημιουργείται μία ροή από τις υψηλότερες προς τις χαμηλότερες τάσεις υδρατμών και άρα από τα μικρά νεφοσταγονίδια προς τους μεγαλύτερους παγοκρυστάλλους. Με τον τρόπο αυτόν, σε ένα νέφος μικτής φάσης, όπου οι θερμοκρασίες κυμαίνονται μεταξύ 0 και -37oC και άρα η συνύπαρξη της υγρής (υπεψυγμένες σταγόνες) και της στερεάς (παγοκρυστάλλια) φάσης του νερού είναι δυνατή, οι παγοκρύσταλλοι θα αυξάνουν σε μέγεθους σε βάρος των νεφοσταγονιδίων.

bergeron

Δημιουργία υδροσταγόνων και παγοκρυστάλλων ετερογενώς
Για τη δημιουργία παγοκρυστάλλων σε πραγματικές συνθήκες, όπως και για τη δημιουργία υδροσταγόνων, συνήθως είναι απαραίτητη η ύπαρξη πυρήνων συμπύκνωσης (ετερογενής πυρηνοποίηση). Τέτοιοι μπορεί να είναι μικροσκοπικά κομμάτια πάγου ή κάποια άερζολς (πχ αφρικανική σκόνη, το αλάτι της θάλασσας, προιόντα αποσάθρωσης του εδάφους της γης κλπ). Αυτοί μεταφέρονται μέσω των ανοδικών ρευμάτων σε μεγαλύτερα ύψη και όντας μεγαλύτεροι από τα νεφοσταγονίδια, τα προσελκύουν. Έτσι δημιουργούνται οι πρώτες υδροσταγόνες. Αν αυτή η διαδικασία συμβεί σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από 0oC, δημιουργούνται παγοκρυστάλλια. Ωστόσο, το σημείο πήξης του νερού εξαρτάται από τον πυρήνα συμπύκνωσης και το πόσο καλά αυτός «ταιριάζει» στην κρυσταλλική δομή του πάγου. Να σημειωθεί ότι το καθαρό νερό χωρίς προσμίξεις παγώνει σε θερμοκρασίες <-37οC [Houze, 2014].

Σχέση του σχήματος παγοκρυστάλλων με τη θερμοκρασία και υγρασία του περιβάλλοντος δημιουργίας τους
Στο παρακάτω σχήμα που αποτελεί προϊόν έρευνας των Kobayashi [1961], Magono and Lee [1966] και Bailey and Hallett [2009], φαίνεται κάτω από ποιες συνθήκες ένα παγοκρυστάλλιο θα πάρει κάποια συγκεκριμένη μορφή.

kobayashi

Έτσι λοιπόν, όταν στο παράθυρο του αεροπλάνου ξεμείνουν κάποιες μεγάλες σταγόνες αλλά και αρκετές μικρότερες που είναι ορατές σαν υγρασία πάνω στο τζάμι, κάποιες από αυτές θα παγώσουν νωρίτερα από κάποιες άλλες. Αυτό έχεις ως αποτέλεσμα, οι παγωμένες πλέον σταγόνες να προσελκύσουν τα μικρότερα υδροσταγονίδια και να αναπτυχθούν σε παγοκρύσταλλους. Το σχήμα των τελευταίων θα εξαρτάται από την εκάστοτε θερμοκρασία και υγρασία του αέρα. Ωστόσο, συνήθως παρατηρούμε οι κρύσταλλοι να έχουν αρκετά πιο περίπλοκα σχήματα από έναν απλό δενδρίτη ή εξάγωνο. Σύμφωνα με τους Bailey and Hallet [2009], σε θερμοκρασίες μεταξύ των -20 και -70οC (όπου συνήθως πετάει ένα αεροπλάνο), οι παγοκρύσταλλοι παίρνουν στηλόμορφες δομές ή ροζέτες ή συνδυασμό αυτών των δύο μοτίβων. Τέλος, είναι χαρακτηριστική η απουσία υδροσταγονιδίων περιφερειακά των παγοκρυστάλλων πάνω στο τζάμι (βλ. φώτο). Αυτό οφείλεται ακριβώς στη θεωρία Bergeron-Findeisen (που εξηγήθηκε νωρίτερα).

IMG_0981

Αναφορές

Bailey, Matthew P., and John Hallett. «A comprehensive habit diagram for atmospheric ice crystals: Confirmation from the laboratory, AIRS II, and other field studies.» Journal of the Atmospheric Sciences 66.9 (2009): 2888-2899.

Bergeron, T. 1935. On the physics of cloud and precipitation.Proc.5th Assembly U.G.G.I. Lisbon.Vol. 2, .p. 156.

Houze Jr, Robert A. Cloud dynamics. Vol. 104. Academic press, 2014.

Kobayashi, T. «The growth of snow crystals at low supersaturations.» Philosophical Magazine 6.71 (1961): 1363-1370.

Magono, C., and C. W. Lee, 1966: Meteorological classification of natural snow crystals. J. Fac. Sci., Hokkaido Univ., Ser. 7, 2, 321–335

Ice-Lolly: Ένας τύπος παγοκρυστάλλου που γεννιέται στις θερμές ζώνες μεταφοράς

Τι είναι τα Ice-Lollies;
Ένα Ice-Lolly είναι ένα παγοκρυστάλλιο που αποτελείται από ένα στυλοειδή παγοκρύσταλλο (ice column) και μία παγωμένη σταγόνα νερού προσαρτημένη στο άκρο του. Το μέγεθος της σταγόνας συνήθως είναι διαμέτρου ~300μm, ενώ το συνολικό μήκος του μπορεί να φτάσει και το 1.5mm. Ο λόγος για τον οποίο ονομάστηκαν έτσι από τους Keppas et al. [2017] είναι το πολύ ιδιαίτερο σχήμα τους. Αν και στο παρελθόν παρόμοια παγοκρυστάλλια έχουν παρατηρηθεί μεμονωμένα, αυτή είναι η πρώτη φορά που παρατηρούνται σε σημαντικές συγκεντρώσεις και περιοχές μέσα σε νέφη. Πιο συγκεκριμένα τα Ice-lollies παρατηρήθηκαν κατά τη διάρκεια περάσματος ενός θερμού μετώπου στη νότια Αγγλία στις 21/01/2009, μέσα σε μία θερμή ζώνη μεταφοράς (warm conveyor belt). Μία τέτοια ζώνη, είναι ουσιαστικά ένα θερμό ρεύμα αέρα που ξεκινάει από τον θερμό τομέα της ύφεσης και ανέρχεται πάνω από τον ψυχρό τομέα (κάθετα στο θερμό μέτωπο) μεταφέροντας υγρό και θερμό αέρα ψηλότερα. Το εν λόγω θερμό μέτωπο συσχετιζόταν με ένα εκτεταμένο και καλά οργανωμένο σύστημα χαμηλών πιέσεων στον βόρειο Ατλαντικό.

Πως ανακαλύφθηκαν;
Η ερευνητική ομάδα του πανεπιστημίου του Manchester, ερευνώντας και συγκρίνοντας δεδομένα που ελήφθησαν από πτηση παρατήρησης (στις 21/01/2009) μέσα στο θερμό μέτωπο και δεδομένα από ραντάρ διπλής πολικότητας (στο Chilbolton), που σάρωνε ταυτόχρονα την περιοχή πτήσης με σκοπό τη μελέτη μικροφυσικής του μετώπου, παρατήρησε τα συγκεκριμένα παγοκρυστάλλια σε σημαντικές συγκεντρώσεις και περιοχές μέσα στα νέφη. Τα δεδομένα που λήφθηκαν από την πτήση περιήχαν μεταξύ άλλων (πχ. συγκέντρωση και μέγεθος υδρομετεώρων) και εικόνες ειλημμένες από το 2D-S probe. Η λειτουργία του 2D-S probe βασίζεται στην στόχευση των παγοκρυστάλλων και υδροσταγονιδίων από μία δέσμη laser και την καταγραφή της σκιάς τους. Αυτή η σκιά παρέχει πληροφορίες σχετικά με το μέγεθος των υδρομετεώρων. Περισσότερες πληροφορίες για το συγκεκριμένο όργανο καταγραφής μπορείτε να βρείτε εδώ. Ακολουθεί ένα διάγραμμα ice-lollies όπως καταγράφηκαν από το εν λόγω μέσο καταγραφής σε σχέση με την θερμοκρασία:

Πως δημιουργούνται;
Κατά τη διάρκεια του θερμού μετώπου παρατηρήθηκε ότι οι κορυφές των νεφών αποτελούνταν κατά βάση από εξαγωνικούς παγοκρυστάλλους (ice plates, ice dendrites). Αυτοί οι παγοκρύσταλλοι ακολουθώντας καθοδική πορεία μέσα στο νέφος εισέρχονταν μέσα στη θερμή ζώνη μεταφοράς, η οποία μετέφερε υγρό αέρα και δημιουργούσε υπερψυγμένα υδροσταγονίδια (σταγόνες που παραμένουν σε υγρή φάση σε θερμοκρασίες μεταξύ 0°C και -38°C). Αυτά τα υδροσταγονίδια πάγωναν με την επαφή τους με τα παγοκρυστάλλια (riming process). Σε θερμοκρασίες μεταξύ -3°C και -8°C, σύμφωνα με την θεωρία Hallett-Mossop, τα υπερψυγμένα υδροσταγονίδια ερχόμενα σε επαφή με παγοκρύστάλλους, ψύχονται με συγκεκριμένο τρόπο. Πρωτίστως δημιουργείται μία επιφανειακή κρούστα πάγου, ενώ το εσωτερικό παραμένει σε υγρή μορφή. Στη συνέχεια η ψύξη συνεχίζεται στο εσωτερικό της σταγόνας. Λόγω της εκτόνωσης του πάγου στο εσωτερικό, η αρχική επιφανειακή κρούστα θραύεται με αποτέλεσμα μικρά θραύσματα να απελευθερώνονται μέσα στο νέφος. Σε θερμοκρασίες μεταξύ -3°C και -8°C αυτά τα θραύσματα αναπτύσσονται στυλοειδώς. Αυτά τα στυλόμορφα παγοκρυστάλλια στη συνέχεια συγκρούονται με άλλες υπερψυγμένες σταγόνες για να σχηματίσουν τα ice-lollies.

Πως επηρεάζουν τα νέφη;
Η δημιουργία των Ice-Lollies σχετίζεται με την ψύξη των υπερψυγμένων σταγόνων μέσα σε νέφη μικτής φάσης (νέφη που περιέχουν υγρή και στερεά φάση ταυτόχρονα). Αυτό σημαίνει ότι τα Ice-Lollies μπορούν να επιταγχύνουν τις διαδιακασίες παγοποίησης ενός νέφους και να το μετατρέψουν σε νέφος, που περιέχει αποκλειστικά πάγο. Αυτό μπορεί να έχει επίπτωση στο χρόνο ζωής των νεφών. Επίσης, κατά την πρόσκρουση μίας σταγόνας σε ένα στυλοειδές παγοκρυστάλλιο και τη δημιουργία ενός Ice-Lolly είναι δυνατή η επανάλληψη της διαδικασίας Hallett-Mossop που περιγράφηκε προηγουμένως. Αυτό θα είχε ως συνέπεια την περαιτέρω δημιουργία παγοκρυστάλλων (ice multiplication), η οποία θα μπορούσε να συνδεθεί με ενίσχυση του υετού στην επιφάνεια της γης. Σε γενικότερο πλαίσιο, τα νέφη αποτελούν σημαντικό μέρος του ενεργειακού ισοζυγίου του συστήματος γης-ήλιου, επηρεάζοντας τόσο την εισερχόμενη όσο και την εξεχόμενη από τη γη ακτινοβολία. Η καλύτερη κατανόηση των διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα στα νέφη μπορεί να βοηθήσει στην καλύτερη παραμετροποίηση αυτών των διαδικασιών στα κλιματικά και τα μοντέλα καιρού.

Περισσότερες λεπτομέριες και σχήματα μπορείτε να βρείτε στο άρθρο που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο AGU: Keppas et al. [2017]

Το AGU έχει δημοσιεύσει και ένα χιουμοριστικό κόμικ για την πιο εύκολη κατανόηση της διαδικασίας σχηματισμού των Ice-Lollies: AGU comic

Αναφορές για τη συγκεκριμένη εργασία έχουν γίνει και σε άλλους επίσημους ιστότοπους: Science News, EGU blog

Μαθήματα μικροφυσικής των νεφών στο παράθυρο ενός αεροπλάνου

Πολλές φορές βλέπουμε να σχηματίζονται κρύσταλλοι πάνω στο παράθυρο του αεροπλάνου. Σε αυτό το σύντομο άρθρο θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε σε δύο ερωτήματα:
1. Πως δημιουργούνται αυτοί οι παγοκρύσταλλοι;
2. Από τι εξαρτάται το σχήμα τους?

Πριν απαντήσουμε σε αυτές τις δύο ερωτήσεις θα πρέπει να εξοικιωθούμε με κάποιους όρους και διαδικασίες.

Η θεωρία Bergeron-Findeisen
Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία [Bergeron, 1935], η τάση των υδρατμών στην επιφάνεια ενός παγοκρυστάλλου είναι αρκετά μικρότερη από αυτήν στην επιφάνεια των μικρότερων νεφοσταγονιδίων. Για να γίνει πιο κατανοητή αυτή η πρόταση αρκεί να φανταστούμε απλουστευμένα ότι ο άερας ασκεί πολύ μικρότερη πίεση στα μόρια μίας ευρείας επιφάνειας σε σχέση με τα μόρια μίας περιορισμέμνης επιφάνειας. Για τον λόγο, λοιπόν, αυτόν, δημιουργείται μία ροή από τις υψηλότερες προς τις χαμηλότερες τάσεις υδρατμών και άρα από τα μικρά νεφοσταγονίδια προς τους μεγαλύτερους παγοκρυστάλλους. Με τον τρόπο αυτόν, σε ένα νέφος μικτής φάσης, όπου οι θερμοκρασίες κυμαίνονται μεταξύ 0 και -37oC και άρα η συνύπαρξη της υγρής (υπεψυγμένες σταγόνες) και της στερεάς (παγοκρυστάλλια) φάσης του νερού είναι δυνατή, οι παγοκρύσταλλοι θα αυξάνουν σε μέγεθους σε βάρος των νεφοσταγονιδίων.

bergeron

Δημιουργία υδροσταγόνων και παγοκρυστάλλων ετερογενώς
Για τη δημιουργία παγοκρυστάλλων σε πραγματικές συνθήκες, όπως και για τη δημιουργία υδροσταγόνων, συνήθως είναι απαραίτητη η ύπαρξη πυρήνων συμπύκνωσης (ετερογενής πυρηνοποίηση). Τέτοιοι μπορεί να είναι μικροσκοπικά κομμάτια πάγου ή κάποια άερζολς (πχ αφρικανική σκόνη, το αλάτι της θάλασσας, προιόντα αποσάθρωσης του εδάφους της γης κλπ). Αυτοί μεταφέρονται μέσω των ανοδικών ρευμάτων σε μεγαλύτερα ύψη και όντας μεγαλύτεροι από τα νεφοσταγονίδια, τα προσελκύουν. Έτσι δημιουργούνται οι πρώτες υδροσταγόνες. Αν αυτή η διαδικασία συμβεί σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από 0oC, δημιουργούνται παγοκρυστάλλια. Ωστόσο, το σημείο πήξης του νερού εξαρτάται από τον πυρήνα συμπύκνωσης και το πόσο καλά αυτός «ταιριάζει» στην κρυσταλλική δομή του πάγου. Να σημειωθεί ότι το καθαρό νερό χωρίς προσμίξεις παγώνει σε θερμοκρασίες <-37οC [Houze, 2014]. Σχέση του σχήματος παγοκρυστάλλων με τη θερμοκρασία και υγρασία του περιβάλλοντος δημιουργίας τους
Στο παρακάτω σχήμα που αποτελεί προϊόν έρευνας των Kobayashi [1961], Magono and Lee [1966] και Bailey and Hallett [2009], φαίνεται κάτω από ποιες συνθήκες ένα παγοκρυστάλλιο θα πάρει κάποια συγκεκριμένη μορφή.

kobayashi

Έτσι λοιπόν, όταν στο παράθυρο του αεροπλάνου ξεμείνουν κάποιες μεγάλες σταγόνες αλλά και αρκετές μικρότερες που είναι ορατές σαν υγρασία πάνω στο τζάμι, κάποιες από αυτές θα παγώσουν νωρίτερα από κάποιες άλλες. Αυτό έχεις ως αποτέλεσμα, οι παγωμένες πλέον σταγόνες να προσελκύσουν τα μικρότερα υδροσταγονίδια και να αναπτυχθούν σε παγοκρύσταλλους. Το σχήμα των τελευταίων θα εξαρτάται από την εκάστοτε θερμοκρασία και υγρασία του αέρα. Ωστόσο, συνήθως παρατηρούμε οι κρύσταλλοι να έχουν αρκετά πιο περίπλοκα σχήματα από έναν απλό δενδρίτη ή εξάγωνο. Σύμφωνα με τους Bailey and Hallet [2009], σε θερμοκρασίες μεταξύ των -20 και -70οC (όπου συνήθως πετάει ένα αεροπλάνο), οι παγοκρύσταλλοι παίρνουν στηλόμορφες δομές ή ροζέτες ή συνδυασμό αυτών των δύο μοτίβων. Τέλος, είναι χαρακτηριστική η απουσία υδροσταγονιδίων περιφερειακά των παγοκρυστάλλων πάνω στο τζάμι (βλ. φώτο). Αυτό οφείλεται ακριβώς στη θεωρία Bergeron-Findeisen (που εξηγήθηκε νωρίτερα).

IMG_0981

Αναφορές

Bailey, Matthew P., and John Hallett. «A comprehensive habit diagram for atmospheric ice crystals: Confirmation from the laboratory, AIRS II, and other field studies.» Journal of the Atmospheric Sciences 66.9 (2009): 2888-2899.

Bergeron, T. 1935. On the physics of cloud and precipitation.Proc.5th Assembly U.G.G.I. Lisbon.Vol. 2, .p. 156.

Houze Jr, Robert A. Cloud dynamics. Vol. 104. Academic press, 2014.

Kobayashi, T. «The growth of snow crystals at low supersaturations.» Philosophical Magazine 6.71 (1961): 1363-1370.

Magono, C., and C. W. Lee, 1966: Meteorological classification of natural snow crystals. J. Fac. Sci., Hokkaido Univ., Ser. 7, 2, 321–335