أكثر

7.5: نمو الجليد بالانتشار - علوم الأرض


في طبقة التروبوسفير ، يكون الشكل البلوري الجليدي الطبيعي الذي يتكون من الترسيب المباشر لبخار الماء سداسيًا (انظر مربع المعلومات على اليسار). تسمى هذه الأشكال عادات. يُعطى التشبع الفائق أحيانًا كـ كثافة بخار الماء الزائدة ρهاء = ρالخامس - ρضدأين ρالخامس هي الرطوبة المطلقة و ρضد هي قيمة تشبع الرطوبة المطلقة.

عندما تسقط بلورات الجليد وتتحرك بفعل الرياح والاضطراب ، فإنها تمر عبر مناطق ذات درجات حرارة مختلفة وكثافة بخار زائدة في السحابة. هذا يسمح للبلورات الفردية بالنمو في مجموعات معقدة من العادات (الشكل 7.13). على سبيل المثال ، البلورة التي تبدأ في النمو كعمود قد يتم تغطيتها لاحقًا على كل طرف بألواح كبيرة. نظرًا لأن كل بلورة تنتقل عبر مسار مختلف قليلاً عبر السحابة ، فإن كل ندفة ثلجية لها شكل فريد.

INFO • مكعبات الثلج

أربعة عشرة المراحل من الجليد ، وتم تصنيفها باستخدام الأرقام الرومانية من الأول إلى الرابع عشر (انظر الشكل 7.ب). قد يتم اكتشاف المزيد من المراحل في المستقبل. كل مرحلة هي ترتيب مفضل للجزيئات ذات التركيب الكيميائي الموحد والحالة الفيزيائية.

في درجات الحرارة والضغوط العادية في الغلاف الجوي ، يكون الجليد الأول هو الأكثر انتشارًا. ومع ذلك ، فإنه يأتي في نوعين مختلفين: جليد سداسي (إيه)، و مكعبات الثلج (جيم). Ice Ih هو الشكل المستقر ديناميكيًا في طبقة التروبوسفير. كلا شكلي الجليد لدي ترتيب رباعي السطوح لجزيئات الماء.

الجليد السداسي Ih يشكل بلورات على شكل ألواح سداسية ، وأعمدة سداسية ذات نهايات مسطحة ، وأعمدة سداسية ذات نهايات هرمية ، و التشعبات (رقاقات الثلج بـ 6 أذرع). تم جمع عينات من هذه الأشكال البلورية في الغلاف الجوي ، وكثيرًا ما يتم ملاحظتها. هذا هو الجليد الطبيعي الذي نراه.

يُعتقد أن الجليد المكعب Ic قادر على تكوين مكعبات ، وأعمدة مربعة يحدها أهرامات ، وثمانيات السطوح (يساوي هرمين مدمجين بقاعدتهما). تم اكتشاف بلورات طبيعية من الجليد Ic في الجزء السفلي من الستراتوسفير ، ولكن لم يتم التقاطها بنجاح في طبقة التروبوسفير السفلى جزئيًا لأنها قابلة للاستقرار فيما يتعلق بالجليد Ih ، وفي درجات الحرارة الأكثر دفئًا يتحول الجليد Ic بسرعة إلى Ih. تم تكوين الجليد المكعب في المختبر في ظل الظروف الجوية ، وقد تم الاستدلال على وجوده في الغلاف الجوي من بعض الهالات التي لوحظت حول الشمس (لأن بلورات الجليد تعمل مثل المنشورات ؛ انظر فصل البصريات).

INFO • تصنيف حبوب الثلج

غالبًا ما ترتبط الانهيارات الجليدية بطبقات ثلجية ضعيفة مدفونة تحت طبقات أقوى من الثلج. تعتبر الملاحظات الميدانية لشكل وحجم بلورات الثلج مهمة لاكتشاف طبقات الثلج المختلفة. طورت اللجنة الدولية للثلج والجليد (ICSI) في عام 1990 ترميزًا قياسيًا (الجدول 7-أ والجدول 7-ب) لاستخدامه عند تسجيل بيانات الثلج.

الجدول 7-أ. التصنيف المورفولوجي (المستند إلى الشكل) لجزيئات الترسيب. T = درجة الحرارة ، ρهاء = كثافة بخار الماء الزائدة.

[كولبيك وآخرون ، 1990: التصنيف الدولي للثلوج الموسمية على الأرض ، الحقن المجهري. 37 ص. متاح على http://www.crrel.usace.army.mil/techpub/ CRREL_Reports / Reports / Seasonal_Snow.pdf]

اسمرمزالشكل والتكوين
1 أالأعمدةقصير ، بلوري منشوري ، صلب أو مجوف. انظر الشكل .7.12 لمعرفة T & ρهاء الظروف.
1 بالإبرتشبه الإبرة ، أسطوانية تقريبًا. 7.12 لـ T & ρهاء الظروف.
1 جلوحاتتشبه اللوحة ، معظمها سداسية. 7.12 لـ T & ρهاء الظروف.
1 دالنجوم ، التشعباتستة أضعاف النجوم ، مستوية أو مكانية. 7.12 لـ T & ρهاء الظروف.
1 هـبلورات غير منتظمةمجموعات بلورات صغيرة جدًا. بلورات متعددة تنمو في ظروف بيئية مختلفة.
1fجراوبيلالجسيمات ذات الحواف الثقيلة. ناتج عن تراكم الماء فائق التبريد.
1 جراموابلهيكل داخلي رقائقي ، سطح زجاجي شفاف أو حليبي. النمو عن طريق تراكم المياه فائقة التبريد.
1 ساعةحبيبات الثلجشفافة ، معظمها من الأجسام الشبه الكروية الصغيرة. المطر المتجمد.
الجدول 7-ب. تصنيف حبيبات الثلج (ICSI).
مصطلحالحجم (مم)
جيد جدا< 0.2
بخير0.2 إلى 0.5
متوسط0.5 إلى 1.0
خشن1.0 إلى 2.0
خشن جدا2.0 إلى 5.0
شديد> 5.0

بسبب تنوع الأشكال ، من الأفضل قياس حجم البلورة بكتلتها m بدلاً من بعض نصف القطر غير التمثيلي. معدل النمو بالانتشار يعتمد على العادة البلورية.

تحتوي الأعمدة والألواح السميكة جدًا على ملف ابعاد متزنة (نسبة الارتفاع إلى العرض) تقريبًا 1. إذا ظلت نسبة العرض إلى الارتفاع ثابتة أثناء النمو ، فإن معادلة النمو هي:

( start {align} m almost c_ {3} cdot left ( rho_ {v} ^ {3} / rho_ {i} right) ^ {1/2} cdot [D cdot S cdot t] ^ {3/2} tag {7.26} end {align} )

أين سي3 = 11.85 (بلا أبعاد) ، ρالخامس هي كثافة بخار الماء (= الرطوبة المطلقة ، انظر المعادلة 4.10) ، ρأنا هي كثافة الجليد (= 916.8 كجم م–3 عند 0 درجة مئوية) ، D هو الانتشار ، S هو جزء فرط التشبع ، و t هو الوقت. إذا كانت البلورة كروية نصف قطرها R ، فإن كتلتها ستكون m = ρماء · (4 · π / 3) · ر3. أخذ الجذر التكعيبي لكلا الجانبين من المعادلة. (7.26) يعطي معادلة مشابهة لـ eq. (7.24). وبالتالي فإن معدل نمو البلورة ثلاثية الأبعاد يشبه إلى حد بعيد نمو القطرة السائلة.

للنمو ثنائي الأبعاد ، مثل التشعبات أو الصفائح ذات السماكة الثابتة d ، تتغير معادلة النمو إلى

( start {align} m almost frac {c_ {2}} {d} cdot left ( frac { rho_ {v} ^ {2}} { rho_ {i}} right) cdot [D cdot S cdot t] ^ {2} tag {7.27} end {align} )

أين سي2 = 5.09 (أبعاد). بالنسبة لنمو 1-D للإبر والأغلفة ذات القطر الثابت ، تكون معادلة النمو هي

( start {align} m propto exp left [(D cdot S cdot t) ^ {1/2} right] tag {7.28} end {align} )

معدلات النمو الثلاثة هذه موضحة في الشكل 7.14.

من الواضح أن البلورات ثنائية الأبعاد تزيد الكتلة أسرع من البلورات ثلاثية الأبعاد ، وتزيد البلورات أحادية الأبعاد الكتلة بشكل أسرع. تلك البلورات التي تكتسب الكتلة بشكل أسرع هي تلك التي ستترسب أولاً.

تطبيق العينة

بالنظر إلى سحابة مختلطة الطور (أي تحتوي على بلورات ثلجية وقطرات ماء سائلة فائقة التبريد) عند -14 درجة مئوية تكون مشبعة بالنسبة للماء (وبالتالي مفرطة التشبع فيما يتعلق بالجليد ؛ انظر الشكل 4.2 في فصل بخار الماء) . إذا كان انتشار بخار الماء 1.5 × 10–5 م2 س–1، إذن ما هي الكتلة النسبية لبلورات الجليد بعد ساعة واحدة من النمو ، لـ (أ) بلورة ثلاثية الأبعاد و (ب) بلورة ثنائية الأبعاد بسمك 15 ميكرومتر؟

أوجد الإجابة

المعطى: D = 1.5x10–5 م2 س–1، t = 1 h = 3600 s ، T = 259K

د = 15 ميكرومتر = 1.5 × 10–5 م.

البحث: م =؟ كلغ

افترض أن الكتلة الأولية m لا تكاد تذكر

أولاً ، استخدم الشكل 4.2 في فصل بخار الماء لتقدير التشبع الفائق. الملحق في هذا الشكل. يوضح أن (هماء - هـجليد ) ≈ 0.0275 كيلو باسكال عند T = -14 درجة مئوية ، و eجليد ≈ 0.175 كيلو باسكال. التشبع الفائق هو:

S = (هماء - هـجليد ) / هجليد = (0.0275 كيلو باسكال) / (0.175 كيلو باسكال)

S = 0.157 (بلا أبعاد)

استخدم قانون الغاز المثالي لبخار الماء (مكافئ 4.10) لتقدير كثافة البخار من ضغط البخار (والتي في هذه الحالة تساوي eماء ≈ 0.20 كيلو باسكال ، من الفقرة السابقة):

ρالخامس = هـماء/ (ℜالخامس· T) = = (0.2 كيلو باسكال) / (0.461 كيلو باسكال · ك–1م3·كلغ–1) · (259 كلفن)] = 1.68 × 10–3 كجم م–3

(أ) استخدم مكافئ. (7.26). العامل بين قوسين هو

الخامس3/ ρأنا )1/2 = [(1.68 × 10–3 كجم م–3)3/ (916.8 كجم م–3)]1/2 = 2.27 × 10–6 كجم م–3

والمصطلح بين قوسين معقوفين من مكافئ. (7.26) هو

[] = [(1.5 × 10–5 م2 س–1) · (0.157) · (3600 ثانية)]3/2

[] = (8.478x10–3 م2)3/2 = 7.8 × 10–4 م3

وهكذا ، فإن حل مكافئ. (7.26):

م = 11.85 · (2.27 × 10–6 كجم م–3) · (7.8 × 10–4 م3)

= 2.1x10–8 كجم = 2.1x10–5 ز

(ب) استخدم مكافئ. (7.27):

( begin {align} m & = frac {5.09} {1.5 times 10 ^ {- 5} mathrm {m}} cdot left ( frac { left (0.00168 mathrm {kg} / mathrm {m} ^ {3} right) ^ {2}} {916.8 mathrm {kg} / mathrm {m} ^ {3}} right) cdot left [8.478 times 10 ^ {- 3 } mathrm {m} ^ {2} right] ^ {2} = 7.51 times 10 ^ {- 8} mathrm {kg} = 7.51 times 10 ^ {- 5} mathrm {g} end { محاذاة} )

الشيك: الوحدات جيدة. الفيزياء جيدة. يتفق مع الشكل .7.14.

معرض: عادة ما تكون كتلة بلورات الثلج الملحوظة حوالي 3 × 10–5 ز. عادي رقاقات الثلج التي تسقط على الأرض غالبًا ما تكون عبارة عن مجموعات من مئات بلورات الجليد الملتصقة معًا ، بكتلة إجمالية تبلغ حوالي 3 مجم ندفة ثلجية–1.

تذكر من فصل بخار الماء أن الجليد يحتوي على ضغط بخار تشبع أقل من الماء السائل عند نفس درجة الحرارة. يوضح الشكل 7.15 تكبير منحنيات تشبع ضغط بخار الماء السائل والجليد.

افترض أنه في البداية (الوقت 1 ، على الخط الزمني في الشكل 7.15) لا توجد سوى قطرات ماء سائل فائقة التبريد في طرد هواء غائم. توجد هذه القطرات في بيئة مفرطة التشبع وبالتالي تنمو مع انتشار بخار الماء الزائد نحو القطرات. عندما يرتفع طرد الهواء ويبرد داخل السحابة ، قد يتم تنشيط بعض نوى الجليد في الوقت 2 ، مما يتسبب في تكوين بلورات الجليد وتنمو. يترسب بخار الماء الزائد الآن على كل من الطوابق السائلة والصلبة.

تستمر بلورات الثلج والقطرات السائلة في النمو ، لأن كلاهما في بيئة مفرطة التشبع (الوقت 3). ومع ذلك ، فإن بلورة الجليد تنمو بشكل أسرع قليلاً لأنها أبعد عن خط تشبع الجليد (أي أكثر تشبعًا) من القطرة السائلة من خط التشبع السائل.

مع نمو كل من النفاثات المائية ، تتم إزالة بخار الماء من الهواء ، مما يقلل من فرط التشبع. في النهاية ، بالقرب من النقطة 4 على الخط الزمني ، تم استهلاك الكثير من البخار بحيث انخفضت الرطوبة النسبية إلى أقل من 100٪ فيما يتعلق بالمياه السائلة. ومن ثم ، تبدأ القطرة السائلة بالتبخر في الهواء غير المشبع. ومع ذلك ، عند النقطة 4 ، تستمر بلورة الجليد في النمو لأن الهواء لا يزال مفرط التشبع فيما يتعلق بالجليد.

والنتيجة النهائية هي أن بلورات الجليد تنمو على حساب قطرات السائل المتبخر ، حتى تختفي قطرات السائل (النقطة 5). هذا يسمى Wegener-Bergeron-Findeisen (WBF) عملية.

يكون الفرق بين ضغوط بخار التشبع بالجليد والسائل أكبر في المدى من -8 درجات مئوية إلى -16 درجة مئوية ، كما هو موضح في الشكل 7.16 (من الإدخال في الشكل 4.2). هذا هو نطاق درجة الحرارة حيث نتوقع أقصى تأثير من عملية نمو WBF ، والمعروفة أيضًا باسم عملية السحب الباردة لأن هناك حاجة إلى درجات حرارة أقل من درجة التجمد.

في حالة وجود عدد كبير من نوى الجليد في الهواء ، سيتشكل عدد كبير من بلورات الجليد التي يكون كل منها أصغر من أن تترسب. بالنسبة لعدد صغير جدًا من نوى الجليد ، فإن تلك البلورات الجليدية القليلة ستنمو بسرعة وتتسرب ، تاركة وراءها العديد من قطرات السحب السائلة الصغيرة في السحابة. كلا السيناريوهين يؤديان إلى هطول قليل نسبيًا.

فقط مع تركيز متوسط ​​(1 إلى 10) نوى جليدية لكل لتر (مقارنة بحوالي مليون قطرة سائلة في نفس الحجم) ستكون نوى الجليد قادرة على تنظيف معظم الماء المكثف قبل ترسيبها. يتسبب هذا السيناريو في الحد الأقصى لهطول الأمطار لعمليات WBF. لكن القيد على عملية تكوين الهواطل هو أنه يحدث فقط في السحب الباردة (السحب أبرد من 0 درجة مئوية).

كما تمت مناقشته في أقسام التنوي ، يوجد بالفعل عدد أقل من نوى الجليد مقارنةً بـ CCN ، وبالتالي يمكن أن تكون عملية السحب الباردة خطوة أولى مهمة في جعل الأرصفة المائية كبيرة بما يكفي لبدء السقوط من السحابة مثل هطول الأمطار.

يمكن أن تحدث عملية السحب الباردة حتى في الصيف ، ولكنها تحدث أعلى في طبقة التروبوسفير حيث يكون الهواء أكثر برودة. عندما تسقط جزيئات الجليد هذه في الهواء الأكثر دفئًا على ارتفاع منخفض ، فإنها تذوب في قطرات المطر لتكوين زخات مطر صيفية بالحمل الحراري (انظر الشكل 7.21 لاحقًا في هذا الفصل).


شاهد الفيديو: علوم الأرض توجيهي 6. جيل 2003. الاحافير (شهر اكتوبر 2021).