云滴凝结增长

1概念介绍2凝结增长的过程3曲面效应4总结概念介绍：云滴的凝结增长定义：指水汽分子凝结（凝华）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶）增长的过程。在云的形成过程和发展阶段，由于云体继续上升绝热冷却，云内维持一定的过饱和，云滴便能借凝结而增长。同时，云滴之间存在饱和水汽压的差异，也能使部分云滴处于过饱和状态，发生凝结。（1）过冷水滴蒸发冰晶凝华增长云滴的凝结增长有三种不同的模式：过冷水（冰晶)凝结、大小水滴凝结、冷暖水滴凝结。（2）小水滴蒸发大小水滴凝结增长（3）暖水滴蒸发冷水滴凝结增长1过冷水（冰晶）凝结：在云的内部有过冷水滴和冰晶并存时，因为冰晶的饱和水汽压较低，冰晶会不断因凝结而增大。在没有杂质（冰核）的过冷水中，冰相的生成（水由气态或液态转化为固态）是由水分子自发聚集而向冰装结构转化的过程。聚集在一起的水分子簇，由于水分子热运动起伏（脉动）的结果，不断形成和消失。分子簇出现的概率随温度的降低而增大。当分子簇的大小超过某临界值时，就能继续增大而形成初始冰晶胚胎。直径为几微米的纯净水滴，只有在温度低于-40℃时才会自发冻结；但当过冷水中存在杂质（冰核）时，在杂质表面力场的作用下，分子簇更容易形成冰晶胚胎。自然云中冰晶的生成，主要依赖于杂质（冰核）的存在。在-20℃时，每升空气中约有一个冰核，仅为同体积中云凝结核浓度的几十万分之一。因此云中冰晶的浓度，一般远远小于水底的浓度。2大小水滴凝结云凝结核可分为两类：亲谁性物质的大粒子，它不溶于水，但能吸附水汽，在其表面形成一层水膜，相当于一个较大的纯水滴；含有可溶性盐的气溶胶微粒。它能吸收水汽而成为盐溶液第，属于吸湿性核。例如海盐的饱和水溶液，只要环境相对湿度高于78%，就可以凝结增大。随着凝结水量的增加，溶液滴的浓度越来越小，所要求的饱和水汽压也越高。但是随着凝结水量的增加，溶液滴的大小也随着增大，所要求的饱和水汽压又随着大小的增大而降低。因此，不同浓度和不同大小的溶液滴要求的饱和水汽压值各不相同，当环境水汽压大于相应的临界值时，溶液滴即可继续增大，随着液滴大小的增大，溶液滴渐趋纯水滴，这时溶液滴的饱和水汽压也转而下降，一个含千亿分子之一克食盐的微粒，只要环境的相对湿度略大于100%，即可成为凝结核而生成云滴。3冷暖水滴凝结：冷暖云层混合时，冷云滴的温度较低，饱和水汽压也较低，周围的暖云滴不断的蒸发，冷云滴会不断的凝结增长。当云滴维持在一定的粒径时，云滴表面的蒸发与凝结达到平衡，此时云滴表面的饱和水汽压称为平衡水汽压。云滴表面为曲面，具有曲面效应，其平衡水汽压比平的水面的平衡水汽压高（如下图）。上图左侧两图所示的是平面和曲面液态水对分子的的吸附力比较，相对于平面的液态水，曲面水滴的水分子吸附力差，蒸发能力较强。右侧两图所示的是大小水滴表面水分子的排列和吸附力状况，相对于小水滴，大水滴更趋近于平面状况，水分子之间的吸附力较大，不易蒸发。FlatwatersurfaceTemperature10℃Clouddroplet凝结增长的速率与水汽的过饱和度成正比，与云滴的半径成反比。凝结刚开始的时候由于凝结核的大小不同，刚形成的云滴大小也有差别，但增长到一定的大小后，云滴的大小就几乎都一样了。从下图可以看出，云滴的直径到达20微米以后，几乎不长了。云中空气上升而膨胀冷却时，水汽不断凝结。在凝结过程中，云滴半径的增长速度和云中水汽的过饱和度成正比，与云滴本身的大小成反比。所以在确定的水汽条件下，云滴凝结增长越来越慢。在0.05%的过饱和条件下，一个由质量为十亿分子之一克食盐生成的初始云滴，从半径为0.75微米开始，增长到1微米时需要0.15秒的时间，增长到10微米时需要30分钟，而增长到30微米时，就需要四小时以上的时间。虽然水汽在少数大吸湿核上凝结之后，可以产生大的云滴，但如果要它继续增长到半径为100微米的毛毛雨，就需要更长的时间，而积云本身的生命大约只有一小时，故在上述情况下不可能形成雨滴；在层状云中，气流上升的速度，只有几厘米每秒，当大云滴在不断下落的过程中，还来不及长成雨滴，就会越出云底而蒸发掉。总之，在实际大气中，单靠水汽凝结是不能产生雨滴的。