Natuurkundigen lossen wolkenformatiepuzzel op

Een van de grootste uitdagingen in de atmosferische fysica is om uit te leggen hoe wolken ontstaan.

Natuurkundigen kennen natuurlijk de basis: dat bij een bepaalde temperatuur en druk, waterdamp condenseert tot druppels die samen regendruppels vormen die zwaar genoeg zijn om op de aarde te vallen.

De duivel zit in de details. Dit proces van druppelaggregatie gebeurt soms zo snel dat het elke verklaring tart. De meeste mensen zullen binnen enkele minuten wolken hebben zien ontstaan ​​en regen komt bijna uit het niets.

Onderzoekers hebben dit proces zelfs gemeten. Meestal zien ze druppeltjes met een diameter van 15 micrometer - te klein voor regen - in minder dan een half uur groeien tot 50 micrometer of meer. Dat is groot genoeg om een ​​stortbui te veroorzaken.

De vraag is hoe deze groei tot stand komt. Geen standaardmodellen van druppelvorming kunnen dit verklaren (tenminste, bij afwezigheid van ijsvorming). Maar vandaag hebben we een oplossing dankzij het werk van Vassilios Dallas en Christos Vassilicos aan het Imperial College, Londen.

De kern van dit probleem is een grootheid die het Stokes-getal wordt genoemd, naar de Ierse wiskundige George Stokes, die het in de 19e eeuw uitvond. Het Stokes-getal is een dimensieloze grootheid gerelateerd aan traagheid die beschrijft hoe waterdruppels tegen elkaar botsen in een gasstroom. Het is enorm gevoelig voor de schaal waarop deze botsingen plaatsvinden.

Wanneer het Stokes-getal klein is, volgt een druppel de stroom van het gas terwijl het rond een andere druppel beweegt en dus botsen ze zelden. Als het aantal groot is, hebben de druppels een grotere traagheid en kunnen ze dus niet voorkomen dat ze tegen elkaar botsen.

Hier is het probleem. Voordat wolken zich vormen, zijn de druppeltjes klein en is het Stokes-getal klein. Daarom botsen de druppeltjes zelden. Nadat wolken zijn gevormd, zijn de druppels groot en is het Stokes-getal enorm, wat betekent dat de deeltjes gemakkelijk kunnen worden gecombineerd, waardoor regen ontstaat. Maar hoe komt deze overgang tot stand?

Er is hier een kip en ei probleem. De druppels kunnen niet snel groeien tenzij het Stokes-getal groot is, maar het Stokes-getal kan niet groot zijn tenzij de druppels groot zijn.

De doorbraak die Dallas en Vassilicos hebben gemaakt, is om te laten zien hoe turbulentie deze relatie verandert. Ze zeggen dat turbulentie optreedt over een enorm scala aan schalen, inclusief de micrometerschalen waarop zich druppeltjes vormen. Het effect van deze turbulentie is om grote variaties in het Stokes-getal op de micrometerschaal te creëren. Dit, zeggen ze, is wat ervoor zorgt dat de kleine druppeltjes vaker botsen.

In wezen zeggen Dallas en Vassilicos dat turbulentie op micrometerschaal de vorming van wolken versnelt en regenbuien veroorzaakt.

Dat is een interessant, maar niet geheel onverwacht resultaat dat moet leiden tot betere weersvoorspellingen. Misschien nog belangrijker, het zou ook een grote impact kunnen hebben op klimaatmodellen. Wolken hebben een groot effect op de hoeveelheid licht die de aarde weerkaatst in de ruimte. Het is belangrijk om beter te kunnen berekenen wanneer ze ontstaan.

En het dicht een gênant gat in ons begrip van een van de meest elementaire atmosferische verschijnselen.

Referentie: arxiv.org/abs/1012.0578 : Regeninitiatie in warme wolken

zich verstoppen