El proceso Wegener-Bergeron-Findeisen (según Alfred Wegener , Tor Bergeron y Walter Findeisen ) (o "proceso de lluvia fría") es un proceso de crecimiento de cristales de hielo que se produce en nubes de fase mixta (que contienen una mezcla de agua superenfriada y hielo ) en regiones donde la presión de vapor ambiental cae entre la presión de vapor de saturación sobre el agua y la presión de vapor de saturación más baja sobre el hielo. Este es un ambiente subsaturado para agua líquida pero un ambiente sobresaturado para hielo que resulta en una rápida evaporación del agua líquida y un rápido crecimiento de cristales de hielo a través de la deposición de vapor.. Si la densidad numérica del hielo es pequeña en comparación con el agua líquida, los cristales de hielo pueden crecer lo suficiente como para caer de la nube y derretirse en gotas de lluvia si las temperaturas de los niveles inferiores son lo suficientemente cálidas.
El proceso de Bergeron, si es que ocurre, es mucho más eficiente en la producción de partículas grandes que el crecimiento de gotas más grandes a expensas de las más pequeñas, ya que la diferencia en la presión de saturación entre el agua líquida y el hielo es mayor que el aumento de la presión de saturación. sobre gotas pequeñas (para gotas lo suficientemente grandes como para contribuir considerablemente a la masa total). Para conocer otros procesos que afectan el tamaño de las partículas, consulte la física de la lluvia y las nubes .
Historia
El principio del crecimiento del hielo a través de la deposición de vapor sobre los cristales de hielo a expensas del agua fue teorizado por primera vez por el científico alemán Alfred Wegener en 1911 mientras estudiaba la formación de escarcha . Wegener teorizó que si este proceso ocurriera en las nubes y los cristales crecieran lo suficiente como para caerse, podría ser un mecanismo de precipitación viable. Si bien su trabajo con el crecimiento de cristales de hielo atrajo cierta atención, pasarían otros 10 años antes de que se reconociera su aplicación a la precipitación. [1]
En el invierno de 1922, Tor Bergeron hizo una observación curiosa mientras caminaba por el bosque. Observó que en los días en que la temperatura estaba por debajo del punto de congelación, la cubierta de estratos que normalmente cubría la ladera se detenía en la parte superior del dosel en lugar de extenderse hasta el suelo como lo hacía en los días en que la temperatura estaba por encima del punto de congelación. Al estar familiarizado con el trabajo anterior de Wegener, Bergeron teorizó que los cristales de hielo en las ramas de los árboles estaban limpiando el vapor de la nube de estratos sobreenfriados, evitando que llegara al suelo.
En 1933, Bergeron fue seleccionado para asistir a la reunión de la Unión Internacional de Geodesia y Geofísica en Lisboa, Portugal, donde presentó su teoría de los cristales de hielo. En su artículo, afirmó que si la población de cristales de hielo era significativamente pequeña en comparación con las gotas de agua líquida, los cristales de hielo podrían crecer lo suficiente como para caerse (hipótesis original de Wegener). Bergeron teorizó que este proceso podría ser responsable de todas las lluvias, incluso en climas tropicales; una declaración que causó bastante desacuerdo entre los científicos tropicales y de latitudes medias. A finales de la década de 1930, el meteorólogo alemán Walter Findeisen amplió y perfeccionó el trabajo de Bergeron mediante trabajos tanto teóricos como experimentales.
Condiciones requeridas
La condición de que el número de gotas sea mucho mayor que el número de cristales de hielo depende de la fracción de núcleos de condensación de nubes que más tarde (más arriba en la nube) actuarían como núcleos de hielo . Alternativamente, una corriente ascendente adiabática debe ser lo suficientemente rápida para que una sobresaturación elevada provoque la nucleación espontánea de muchas más gotitas de las que están presentes los núcleos de condensación de nubes. En cualquier caso, esto debería suceder no muy por debajo del punto de congelación, ya que esto provocaría la nucleación directa del hielo. El crecimiento de las gotas evitaría que la temperatura alcanzara pronto el punto de nucleación rápida de los cristales de hielo .
La sobresaturación más grande con respecto al hielo, una vez presente, hace que crezca rápidamente, eliminando así el agua de la fase de vapor. Si la presión de vapor cae por debajo de la presión de saturación con respecto al agua líquida , las gotas dejarán de crecer. Esto puede no ocurrir sisí mismo está cayendo rápidamente, dependiendo de la pendiente de la curva de saturación, la tasa de lapso y la velocidad de la corriente ascendente, o si la caída dees lento, dependiendo del número y tamaño de los cristales de hielo. Si la corriente ascendente es demasiado rápida, todas las gotas finalmente se congelarán en lugar de evaporarse.
Se encuentra un límite similar en una corriente descendente. El agua líquida se evapora provocando la presión de vapor. subir, pero si la presión de saturación con respecto al hielo está subiendo demasiado rápido en la corriente descendente, todo el hielo se derretiría antes de que se formen grandes cristales de hielo.
Expresiones derivadas de Korolev y Mazin [2] para la velocidad crítica de la corriente ascendente y la corriente descendente:
donde η y χ son coeficientes que dependen de la temperatura y la presión, y son las densidades numéricas de hielo y partículas líquidas (respectivamente), y y son el radio medio de hielo y partículas líquidas (respectivamente).
Para valores de típico de las nubes, varía desde unos pocos cm / sa unos pocos m / s. Estas velocidades se pueden producir fácilmente por convección, olas o turbulencias, lo que indica que no es raro que tanto el agua líquida como el hielo crezcan simultáneamente. En comparación, para valores típicos de, velocidades de corriente descendente superiores a unos pocos son necesarios para que tanto el líquido como el hielo se encojan simultáneamente. [3] Estas velocidades son comunes en las corrientes descendentes convectivas, pero no son típicas de las nubes estratos.
Formación de cristales de hielo.
La forma más común de formar un cristal de hielo comienza con un núcleo de hielo en la nube. Los cristales de hielo se pueden formar a partir de deposición heterogénea , contacto, inmersión o congelación después de la condensación. En la deposición heterogénea, un núcleo de hielo simplemente se recubre con agua. Por contacto, los núcleos de hielo chocan con las gotas de agua que se congelan al impactar. En la congelación por inmersión, todo el núcleo de hielo se cubre con agua líquida. [4]
El agua se congelará a diferentes temperaturas dependiendo del tipo de núcleos de hielo presentes. Los núcleos de hielo hacen que el agua se congele a temperaturas más altas de lo que lo haría espontáneamente. Para que el agua pura se congele espontáneamente, lo que se denomina nucleación homogénea , las temperaturas de las nubes tendrían que ser de -35 ° C (-31 ° F). [5] A continuación, se muestran algunos ejemplos de núcleos de hielo:
Núcleos de hielo | Temperatura para congelar |
---|---|
Bacterias | -2,6 ° C (27,3 ° F) |
Caolinita | −30 ° C (−22 ° F) |
Yoduro de plata | −10 ° C (14 ° F) |
Vaterita | -9 ° C (16 ° F) |
Multiplicación de hielo
A medida que los cristales de hielo crecen, pueden chocar entre sí y astillarse y fracturarse, lo que da como resultado muchos cristales de hielo nuevos. Hay muchas formas de cristales de hielo que chocan entre sí. Estas formas incluyen hexágonos, cubos, columnas y dendritas. Este proceso se conoce como "mejora del hielo" por los físicos y químicos atmosféricos. [6]
Agregación
El proceso de adhesión de los cristales de hielo se denomina agregación. Esto sucede cuando los cristales de hielo están resbaladizos o pegajosos a temperaturas de -5 ° C (23 ° F) y superiores, debido a una capa de agua que rodea al cristal. Los diferentes tamaños y formas de los cristales de hielo caen a diferentes velocidades terminales y comúnmente chocan y se pegan.
Acreción
Cuando un cristal de hielo choca con las gotas de agua sobreenfriada, se denomina acreción (o borde). Las gotas se congelan con el impacto y pueden formar graupel . Si el graupel formado es reintroducido en la nube por el viento, puede continuar creciendo más grande y más denso, eventualmente formando granizo . [6]
Precipitación
Eventualmente, este cristal de hielo crecerá lo suficiente como para caer. Incluso puede chocar con otros cristales de hielo y crecer aún más por coalescencia , agregación o acreción por colisión .
El proceso de Bergeron a menudo resulta en precipitación. A medida que los cristales crecen y caen, atraviesan la base de la nube, que puede estar por encima del punto de congelación. Esto hace que los cristales se derritan y caigan en forma de lluvia. También puede haber una capa de aire por debajo del punto de congelación debajo de la base de la nube, lo que hace que la precipitación se vuelva a congelar en forma de gránulos de hielo . De manera similar, la capa de aire por debajo del punto de congelación puede estar en la superficie, provocando que la precipitación caiga en forma de lluvia helada . El proceso también puede resultar en ninguna precipitación, evaporando antes de que llegue al suelo, en el caso de formar virga .
Ver también
Referencias
- ^ Harper, Kristine (2007). Tiempo y clima: década a década . La ciencia del siglo XX (edición ilustrada). Publicación de Infobase. págs. 74–75. ISBN 978-0-8160-5535-7.
- ^ Korolev, AV; Mazin, IP (2003). "Supersaturación de vapor de agua en nubes". J. Atmos. Sci . 60 (24): 2957–2974. Código Bibliográfico : 2003JAtS ... 60.2957K . doi : 10.1175 / 1520-0469 (2003) 060 <2957: SOWVIC> 2.0.CO; 2 .
- ^ Korolev, Alexei (2007). "Limitaciones del mecanismo de Wegener-Bergeron-Findeisen en la evolución de las nubes de fase mixta" . J. Atmos. Sci . 64 (9): 3372–3375. Código Bibliográfico : 2007JAtS ... 64.3372K . doi : 10.1175 / JAS4035.1 .
- ^ Nucleación de hielo en nubes de fase mixta Thomas F. Whale University of Leeds, Leeds, Reino Unido, CAPÍTULO 2,1.1 Modos de nucleación de hielo heterogénea
- ^ Koop, T. (25 de marzo de 2004). "Nucleación de hielo homogénea en agua y soluciones acuosas" . Zeitschrift für physikalische Chemie . 218 (11): 1231-1258. doi : 10.1524 / zpch.218.11.1231.50812 . Consultado el 7 de abril de 2008 .
- ^ a b Microfísica de nubes y precipitación. Pruppacher, Hans R., Klett, James, 1965
- Wallace, John M. y Peter V. Hobbs: Ciencia atmosférica , 2006. ISBN 0-12-732951-X
- Yau, MK y Rodgers, RR: "Un curso corto en física de nubes", 1989. ISBN 0-7506-3215-1
enlaces externos
- Demostración del proceso Bergeron