Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Процесс Вегенера-Бергерона-Финдезена (в честь Альфреда Вегенера, Тора Бергерона и Вальтера Финдезена (метеоролога)), (или "процесс образования холодного дождя") – это процесс роста кристаллов льда, происходящий в облаках смешанной фазы (содержащих смесь переохлажденной воды и льда) в областях, где парциальное давление водяного пара находится между давлением насыщенного пара над водой и более низким давлением насыщенного пара над льдом. Это состояние недонасыщения для жидкой воды, но перенасыщения для льда, что приводит к быстрому испарению жидкой воды и быстрому росту кристаллов льда за счет осаждения водяного пара. Если числовая плотность кристаллов льда мала по сравнению с числовой плотностью жидкой воды, кристаллы льда могут вырасти до размеров, достаточных для выпадения из облака, тая и превращаясь в капли дождя, если температура в нижних слоях атмосферы достаточно высока. Процесс Бержерона, если он вообще реализуется, значительно эффективнее производит крупные частицы, чем рост крупных капель за счет более мелких, поскольку разница в давлении насыщения между жидкой водой и льдом больше, чем увеличение давления насыщения над мелкими капельками (для капель, достаточно крупных, чтобы вносить существенный вклад в общую массу). О других процессах, влияющих на размер частиц, см. физику дождя и облаков.
The Wegener–Bergeron–Findeisen process (after Alfred Wegener, Tor Bergeron and Walter Findeisen (Meteorologe)), (or "cold rain process") is a process of ice crystal growth that occurs in mixed phase clouds (containing a mixture of supercooled water and ice) in regions where the ambient vapor pressure falls between the saturation vapor pressure over water and the lower saturation vapor pressure over ice. This is a subsaturated environment for liquid water but a supersaturated environment for ice resulting in rapid evaporation of liquid water and rapid ice crystal growth through vapor deposition. If the number density of ice is small compared to liquid water, the ice crystals can grow large enough to fall out of the cloud, melting into rain drops if lower level temperatures are warm enough. The Bergeron process, if occurring at all, is much more efficient in producing large particles than is the growth of larger droplets at the expense of smaller ones, since the difference in saturation pressure between liquid water and ice is larger than the enhancement of saturation pressure over small droplets (for droplets large enough to considerably contribute to the total mass). For other processes affecting particle size, see rain and cloud physics.
История
Принцип роста льда путем осаждения пара на кристаллах льда за счет воды был впервые теоретизирован немецким ученым Альфредом Вегенером в 1911 году во время изучения образования инея. Вегенер предположил, что если этот процесс происходит в облаках и кристаллы вырастают достаточно большими, чтобы выпасть, то это может быть жизнеспособным механизмом осадков. Хотя его работа с ростом ледяных кристаллов привлекла некоторое внимание, потребовалось еще 10 лет, прежде чем ее применение к осадкам было признано. Зимой 1922 года Тор Бержерон сделал любопытное наблюдение, прогуливаясь по лесу. Он заметил, что в дни, когда температура была ниже нуля, слоистые облака, обычно покрывающие склоны, останавливались на вершинах деревьев, а не достигали земли, как это происходило в дни, когда температура была выше нуля. Зная о более ранних работах Вегенера, Бержерон предположил, что кристаллы льда на ветвях деревьев поглощали пар из переохлажденных слоистых облаков, препятствуя его достижению земли. В 1933 году Бержерон был выбран для участия в Международном союзе геодезии и геофизики в Лиссабоне, Португалия, где он представил свою теорию ледяных кристаллов. В своей статье он заявил, что если количество кристаллов льда значительно меньше, чем количество капель жидкой воды, то кристаллы льда могут вырасти достаточно большими, чтобы выпасть (первоначальная гипотеза Вегенера). Бержерон предположил, что этот процесс может быть ответственен за все осадки, даже в тропическом климате; заявление, которое вызвало значительные разногласия между учеными, работающими в тропических и умеренных широтах. В конце 1930-х годов немецкий метеоролог Вальтер Финдейзен расширил и усовершенствовал работу Бержерона как теоретически, так и экспериментально.
The principle of ice growth through vapor deposition on ice crystals at the expense of water was first theorized by the German scientist Alfred Wegener in 1911 while studying hoarfrost formation. Wegener theorized that if this process happened in clouds and the crystals grew large enough to fall out, that it could be a viable precipitation mechanism. While his work with ice crystal growth attracted some attention, it would take another 10 years before its application to precipitation would be recognized. In the winter of 1922, Tor Bergeron made a curious observation while walking through the woods. He noticed that on days when the temperature was below freezing, the stratus deck that typically covered the hillside stopped at the top of the canopy instead of extending to the ground as it did on days when the temperature was above freezing. Being familiar with Wegener's earlier work, Bergeron theorized that ice crystals on the tree branches were scavenging vapor from the supercooled stratus cloud, preventing it from reaching the ground. In 1933, Bergeron was selected to attend the International Union of Geodesy and Geophysics meeting in Lisbon, Portugal where he presented his ice crystal theory. In his paper, he stated that if the ice crystal population was significantly small compared to the liquid water droplets, that the ice crystals could grow large enough to fall out (Wegener's original hypothesis). Bergeron theorized that this process could be responsible for all rain, even in tropical climates; a statement that caused quite a bit of disagreement between tropical and mid latitude scientists. In the late 1930s, German meteorologist Walter Findeisen extended and refined Bergeron's work through both theoretical and experimental work.
Умножение льда
По мере роста кристаллов льда они могут сталкиваться друг с другом, расщепляться и разрушаться, что приводит к образованию множества новых кристаллов льда. Существует множество форм, в которые могут превращаться кристаллы льда при столкновении. К ним относятся шестиугольники, кубы, столбики и дендриты. Атмосферные физики и химики называют этот процесс "увеличением концентрации льда".
As the ice crystals grow, they can bump into each other and splinter and fracture, resulting in many new ice crystals. There are many shapes of ice crystals to bump into each other. These shapes include hexagons, cubes, columns, and dendrites. This process is referred to as "ice enhancement" by atmospheric physicists and chemists.
Агрегация
Процесс слипания кристаллов льда называется агрегацией. Это происходит, когда кристаллы льда становятся гладкими или липкими при температуре 0 градусов и выше из-за водяной пленки, покрывающей кристалл. Кристаллы льда разных размеров и форм падают с разной конечной скоростью и часто сталкиваются и слипаются.
The process of ice crystals sticking together is called aggregation. This happens when ice crystals are slick or sticky at temperatures of and above, because of a coating of water surrounding the crystal. The different sizes and shapes of ice crystals fall at different terminal velocities and commonly collide and stick.
Аккреция
Когда кристалл льда сталкивается с переохлажденными каплями воды, это называется аккрецией (или намерзанием). Капли замерзают при столкновении и могут образовывать гранулы снега (граупель). Если гранулы снега, образовавшиеся таким образом, вновь попадают в облако под воздействием ветра, они могут продолжать расти и уплотняться, в конечном итоге формируя град.
When an ice crystal collides with supercooled water droplets it is called accretion (or riming). Droplets freeze upon impact and can form graupel. If the graupel formed is reintroduced into the cloud by wind, it may continue to grow larger and more dense, eventually forming hail.
Осадки
В конечном итоге этот кристалл льда вырастет настолько, что начнет падать. Он может столкнуться с другими кристаллами льда и увеличиться в размерах в результате столкновения, коалесценции, агрегации или аккреции. Процесс Бержерона часто приводит к выпадению осадков. По мере роста и падения кристаллы проходят сквозь основание облака, которое может находиться при температуре выше нуля. Это вызывает таяние кристаллов и выпадение дождя. Также может существовать слой воздуха ниже нуля под основанием облака, из-за чего осадки повторно замерзают, образуя ледяную крупу. Аналогично, если слой воздуха ниже нуля находится у поверхности земли, осадки выпадают в виде гололедистого дождя. В некоторых случаях процесс может не привести к выпадению осадков, и они испарятся, не достигнув земли, образуя виргу.
Eventually this ice crystal will grow large enough to fall. It may even collide with other ice crystals and grow larger still through collision coalescence, aggregation, or accretion. The Bergeron process often results in precipitation. As the crystals grow and fall, they pass through the base of the cloud, which may be above freezing. This causes the crystals to melt and fall as rain. There also may be a layer of air below freezing below the cloud base, causing the precipitation to refreeze in the form of ice pellets. Similarly, the layer of air below freezing may be at the surface, causing the precipitation to fall as freezing rain. The process may also result in no precipitation, evaporating before it reaches the ground, in the case of forming virga.