大気中の約 4 キロ上空では、雲に液滴と氷晶の両方が含まれ始めます。水の 2 つの相が共存するため、さまざまな興味深い小規模なプロセスが雲の中で発生する可能性があります。液滴が合体して氷の結晶が凝集したり、液滴が氷の結晶と衝突して凍結したり、氷の結晶が雲から沈降するときに溶けたりする可能性があります。 .これらのプロセスはまとめて雲微物理学と呼ばれ、モデル化が非常に難しい場合があります。
氷の結晶は、樹枝状から板状または針状まで、さまざまな形状を持っているため、特に困難です。より高い高度では、空気が水蒸気で過飽和になると、核形成によって熱力学的に形成されます。一般に、相変化の自由エネルギー障壁を下げるほこり、すす、またはバクテリアからの粒子状の表面もあります。私たちは、より高い温度で発生する一連の他の機械的氷形成経路のモデル化に関心を持ってきました。雲の微物理学の複雑な世界では、これらの経路は二次氷生成と呼ばれます。
二次的な氷の生産は、衝突に依存して粉砕を引き起こします。たとえば、液滴と氷の結晶が衝突すると、液滴が凍結し始め、潜熱が放出されて圧力が上昇し、最終的に凍結している液滴が粉々になります。または、2 つの大きな氷の結晶またはあられの粒子が衝突した場合、その衝撃で 2 つがより小さな破片に分裂するのに十分な場合があります。これは、ビル ワターソンの PIFF! に似ています。 その上では、雪玉があちこちに飛び散ります。
これらのプロセスから形成される氷の結晶の数を概算するために、大気中を上昇する空気の塊を追跡するモデルを構築しました。私たちのシミュレーションには、二次的な氷の生成とともに、液滴の形成と氷の核生成が含まれます。このモデルを使用すると、小包の上昇速度とその初期温度が適切な一種のゴルディロックス ゾーンで、二次氷が核生成のみの場合の 1000 倍の結晶を生成できることがわかります。
氷の結晶の形状の表現も重要です。氷の結晶が球体であると仮定すると、その 1000 倍の強化は劇的に低下します。しかし、大気中に実際に見られるさまざまな樹枝状突起や針状突起などの細長い形状を使用して、氷の結晶をより現実的にモデル化すると、氷の結晶数の増加が戻ってきます。
このような大規模な追加の大気中の氷晶の供給源は、気候に水文学的および放射的な影響を与えるでしょう。多くの場合、氷相から地形上に降水します。氷の結晶は低温で成長し、雲から落ちて溶けて雨になります。そのため、二次的な氷の生成をモデルで表現することで、特定の条件下での降水のシミュレーションを改善できる可能性があります。または、雲の中の氷の結晶が多かれ少なかれ温暖化効果をもたらす可能性があります。これは、結晶が入射する太陽放射に対してほとんど透明であり、地球からの放射に対してほとんど不透明であるためです。
この種の大規模な影響は、雲の微物理学の印象的な部分です:すべての小さな PIFF! 4 キロメートル上空にある水滴と氷の結晶は、地表で見られる気温と雨を実際に変化させる可能性があります。
クラウド内の氷の結晶数に対する二次氷生成の寄与を調査するこの研究は、Journal of Geophysical Research:Atmospheres に最近掲載されました。 .
