Sirrus bulutlarında homojen ve heterojen buz çekirdeklenmesi
Homojen donma, aşırı soğutulmuş aktive edilmiş bir bulut damlacığı veya saf bir çözelti aerosol parçacığı içinde kendiliğinden buz oluşumudur (bkz. Şekil 2-5, sol; konsantre çözelti aerosol partiküllerinin aynı zamanda yüksek higroskopik olarak büyüdükleri için pus damlacıkları olarak da adlandırıldığını unutmayın. nemlilikler). Damlacıklar / damlalar -38 ° C'lik bir sıcaklıkta kendiliğinden donar ve çözelti damlacıklarının (pus parçacıkları) donması, sıcaklık -38 ° C'nin altına düştüğünde giderek daha düşük bağıl nemlerde meydana gelir . Homojen bir şekilde donan pus damlacığı, homojen bir donma çekirdeği (HFN) olarak da adlandırılır. Homojen dondurma süreci iyi tanımlanmıştır ve partikül hacminin ve su aktivitesinin bir fonksiyonu olduğu gösterilmiştir. Yeterli aşırı doygunlukta tüm atmosferik parçacıkların HFN olarak hizmet edebileceğine dikkat etmek önemlidir. Bununla birlikte, atmosferik aşırı doygunluklar, bir hava parselinin yukarı çekilmesi ve sıcaklık tarafından yönlendirilir. Dolayısıyla, homojen donma ile çekirdeklenen buz kristallerinin sayısı, artan yükselme ve azalan sıcaklıkla artar . Bu Şekil 2-6'da gösterilmektedir , burada homojen olarak çekirdeklenmiş buz kristallerinin konsantrasyonları tarafından bir dizi atmosferik yükselme için hesaplanmaktadır . Ortalama kütle yarıçapları ~ 100 ila 3 μ arasında değişen, santimetre başına 0,001 ila birkaç yüz buz kristali buldular.m, sırasıyla . Ancak gözlemler, en sık buz konsantrasyonlarının 0.1-1 cm- 3 civarında olduğunu göstermektedir Bu, çoğu cirrus formunun zayıf olduğu yukarı yönlü hareketlerin (bkz. Şekil 2-6 ) veya heterojen buz çekirdeklenmesinin atmosferde sıklıkla rol oynadığını gösterebilir
havalarinsesi.com/attachment/11515/
Cirrus oluşumu: aerosol bileşimi ve buz üzerinde süperdoyma ile belirlenen iki buz oluşumu yolu.
havalarinsesi.com/attachment/11516/
Buz kristalinin sayısı n ı dikey hızına bağlı ağırlık tamamen homojen bir dondurma için
Heterojen buz çekirdeklenmesi, homojen dondurmadan daha az anlaşılmıştır çünkü buzun oluştuğu birkaç alt mekanizma vardır (bkz. Şekil 2-5 , sağ). Bu alt mekanizmaların her biri temelde birbirinden farklıdır. Sıcaklık 0 ° C'nin altına düştüğünde ve buza göre su buharının doygunluğuna ulaşılır ulaşılmaz heterojen donma potansiyel olarak başlayabilir. Heterojen buz çekirdeklenmesi, INP olarak adlandırılan katı bir partikül veya inklüzyon gerektirir.
Sirüs sıcaklık aralığında hareket eden heterojen mekanizmalar 1) daldırma / yoğunlaşma donması ve 2) biriktirme çekirdeklenmesidir. 1) Daldırma / yoğuşma dondurma, hava soğurken yoğunlaşan bir su kabuğuna batırılan bir INP içinde buz oluşumudur.
Daldırılmış INP'nin geçmişine bağlı olarak küçük terminoloji farklılıkları olmuştur, ancak iki mekanizma artık eş anlamlı olarak kabul edilmektedir. 2) Biriktirme dondurma, INP yüzeyinde doğrudan buz birikmesidir. Şu anda çözülmemiş bir mekanizma, bir INP'nin "ön koşullandırmasıdır" Bu durumda, önceki bir donma döngüsü, bir partikülün üzerinde veya içinde biraz buz bırakır ve bu, uygun bir sıcaklığa ve doygunluğa tekrar ulaşılırsa daha hızlı buz oluşumuna yol açar. Heterojen dondurma, INP'nin boyutundan, yüzey bileşiminden ve morfolojisinden etkilenir.
INP'lerin arka plandaki serbest troposferde nadir olduğunu, 10–100 L −1 (0.01–0.1 cm −3 ), ancak −38 ° C'nin altında son derece sınırlı ölçümlerle; sıcak sıcaklıklarda INP konsantrasyonu, aerosol daha büyük 0.5 varlığı ile ilgili olabilir μ m ( DeMott ve diğ. 2010). Bazı INP'ler görece "iyi" ve diğerleri görece "kötü" olarak adlandırılabilir; her birinin örnekleri, Cziczo ve diğ.'de verilen nicel bir temsil ile Şekil 2-5'te(sağ panel) listelenmiştir .
Bu nedenle, heterojen bir şekilde oluşan bir sirüs bulutunun, homojen olarak oluşan bir buluttan farklı olması beklenir , çünkü özellikle ≥10 cm s- 1 yükselişlerde, çünkü <100 buz kristali içerecektir (yani, başlangıç bulutundaki INP konsantrasyonundan daha fazla olmayacaktır. parsel). Daha zayıf yukarı çekişlerle bile, buz kristali konsantrasyonları ve boyutları INP'lerin varlığında modüle edili.
INP'lerin buz kristali konsantrasyonları üzerindeki etkisi, çoğu durumda, saf homojen dondurmaya göre daha az buz kristalidir. Bununla birlikte, homojen dondurmanın yalnızca birkaç buz kristali ürettiği çok düşük seviyeli yukarı çekişlerde, heterojen dondurma, INP sayısı homojen olarak oluşan buzu aştığında daha fazla buz kristali oluşturabilir. Sonuç olarak, daha fazla buz kristali üretildiğinde buz kristallerinin boyutları daha küçük olurken, daha az çekirdekli buz parçacığı daha büyük kristaller ile sonuçlanır.
Bu nedenle, INP'lerin özellikle sirüs sıcaklık aralığında karakterizasyonu, buz bulutu araştırması alanındaki önemli açık sorulardan biridir. Bu bilgi boşluğu, ortam sıcaklıklarında çalışabilen ve / veya buz kristallerinin tam boyut dağılımını örnekleyebilen enstrümantasyona kadar izlenebilir.
Sirrus dondurma mekanizmalarının atmosferik önemi
Atmosferik buz çekirdeklenmesinin önemli yönü, heterojen buz çekirdeklenme mekanizmalarının daha düşük süper doygunluklarda (yani homojen dondurmadan önce) aktif olmasıdır ( Şekil 2-5 ). Yani homojen donmaya ulaşan bir parselin önce heterojen bir şekilde oluşmuş buza neden olmaya yetecek sıcaklık ve doygunluklardan geçmesi gerekir. araştırmacılar tarafından değerlendirilmiştir . INP bolluğunun, donma aşırı doygunluğunun ve bir yörüngenin ne kadar hızlı geçildiğinin (yani dikey hızın) kombinasyonu, bir sirüs bulutunun nerede ve hangi mekanizma ile oluştuğunu ve dolayısıyla buz kristali sayısı ve boyutu, buz gibi hangi mikrofiziksel özellikleri belirler. su içeriği ve buz kristallerinin şekli ve yüzey dokusu, buluta sahiptir.
Bu önemlidir, çünkü cirrus'un bu mikrofiziksel özellikleri, örneğin, suyun üst troposferdeki tortulaşan buz kristallerinden dikey olarak yeniden dağılımını ve dolayısıyla alt stratosfer ile su değişimini düzenler. Üst troposfer / alt stratosfer bölgesi, bir sera gazı olduğu için su buharındaki küçük değişikliklere bile özellikle duyarlıdır ve ışınım aktarımı hesaplamaları, alt stratosferdeki küçük su buharı kütlesinin yüzey kontrolünde önemli bir rol oynadığını göstermektedir. sıcaklıklar
Dahası, cirrus'un Dünya'nın ışınım bütçesi üzerindeki etkisini tanımlamak için , cirrus'taki buz parçacıklarının mikrofiziksel ve dolayısıyla ışıma özelliklerinin çevresel koşullara ve oluşum mekanizmalarına nasıl bağlı olduğunu belirlemek kritik önem taşır. Cirrus bulutlarının INP sayısı, sirrus görünümü ve ışıma geri beslemesi arasındaki olası ilişki üzerine bir taslak sunmuştur (Şekil 2-7): yalnızca birkaç INP'nin mevcut olması durumunda (sol panel), oluşan birkaç buz kristali su buharını verimli bir şekilde tüketemez ve homojen buz çekirdeklenmesi oluşana ve yüksek ve soğuk koşullarda çok sayıda küçük buz kristalli bir sirüs oluşana kadar süperdoyma artar. Bu ince sirüsün net bir ısınma etkisi vardır. Daha fazla INP mevcutsa (sağ panel), heterojen dondurma, daha az ama daha büyük kristallerle daha düşük, daha sıcak ve daha kalın bir sirüs üretir ve bu da süper doygunluğu verimli bir şekilde azaltır, böylece homojen buz çekirdeklenmesi bastırılır. Bu tür sirüslerin net ışıma etkisi bilinmemektedir. Bu nedenle, sayısız farklı mekansal ve zamansal ölçeğe sahip modeller için buz bulutu özelliklerinin parametrelendirmelerini geliştirmek ve değerlendirmek ve model sonuçlarının kendilerinin değerlendirilmesi için bağımlılıklara ihtiyaç olduğu açıktır. Buz bulutu özelliklerinin gözlemleri, hem yerinde gözlemlerden hem de uzaktan algılama geri kazanımlarından elde edilebilir; bunlardan ikincisi, erişim şemalarında kullanılan varsayımları değerlendirmek için yerinde gözlemler gerektirir.
havalarinsesi.com/attachment/11517/
Buz çekirdeği sayısının sirrus bulutu kapsamı ve ışıma etkileri üzerindeki etkisi
Buz kristali boyutlarının ve şekillerinin buzlu su içeriği ve dağılımları, sirrusun radyasyonlu ısıtmayı nasıl etkilediğini belirlemek için mikrofiziksel ve dinamik bir anlayış geliştirmek için en önemli mikrofiziksel miktarlardır . cirrus'ta meydana gelen süreçler. Ek olarak, kristal görünüm oranlarının dağılımları ve tek saçılma özellikleri bilgisi ve buz kristali yüzey pürüzlülüğü ışınım etkisinin ölçülmesi için gereklidir. Önceki birçok çalışma buzlu su içeriği (IWC) dağılımlarını ölçmüş olsa da buz kristali boyutları kristal alışkanlıkları ve farklı çevre koşullarında en boy oranları, çok az kapsamlı çekirdekleşme mekanizmasının veya sirrus oluşum mekanizmasının bu buz kristali özelliklerini kontrol etme şeklini tanımlayan çalışmalar. Özelliklerin meteorolojik veya kristal oluşum mekanizmalarının bir fonksiyonu olarak incelendiği daha büyük bir veritabanı, farklı büyüme süreçlerinin ve oluşum mekanizmalarının mikrofiziksel ve ışınımsal özellikleri nasıl kontrol ettiğini anlamak için hala gereklidir.