Jak powstaje deszcz: koalescencja i proces Bergerona

Wzrost kropli przez zderzenia, proces lodowy, prędkości opadania i prawdziwy kształt kropli deszczu.

Problem · milion do jednego

Dlaczego deszcz to nie jest oczywiste

Kropelka chmurowa ma 20 µm, kropla deszczu 2 mm. Sto razy większa średnica to milion razy większa objętość. Skraplanie samo w sobie tego nie załatwi: rośnie ono coraz wolniej, bo im większa kropla, tym mniejszy stosunek powierzchni do objętości. Doprowadzenie kropelki do rozmiaru deszczowego samym skraplaniem zajęłoby dni.

A deszcz z chmury kłębiastej potrafi spaść w kilkanaście minut od jej powstania. Potrzebny jest więc inny mechanizm — i są dwa.

Mechanizm ciepły · koalescencja

Duże kropelki zjadają małe

Kropelki opadają z prędkością zależną od rozmiaru. Większa opada szybciej, więc dogania mniejsze i część z nich wychwytuje. Rosnąc, opada jeszcze szybciej — proces przyspiesza sam siebie.

To koalescencja i jest jedynym mechanizmem w chmurach ciepłych, powyżej zera. Wymaga jednak dwóch rzeczy: dostatecznej grubości chmury i obecności kilku wyjątkowo dużych kropelek na starcie, zwykle powstałych na dużych jądrach soli morskiej.

Dlatego deszcz z chmur ciepłych jest domeną tropików i wybrzeży. W Polsce chmura musiałaby mieć kilka kilometrów grubości, żeby to zadziałało samo.

Mechanizm zimny · proces Bergerona

Lód kradnie wodę kropelkom

Tu jest sedno i to jest jeden z ładniejszych mechanizmów w całej meteorologii.

Prężność pary nasyconej nad lodem jest niższa niż nad wodą przechłodzoną w tej samej temperaturze. Różnica jest największa około −12°C i wynosi tam kilkanaście procent.

Konsekwencja: w chmurze mieszanej, gdzie obok siebie są kryształki lodu i przechłodzone kropelki, powietrze jest nasycone względem wody, ale przesycone względem lodu. Para osadza się więc na lodzie. Ubywa jej z powietrza, więc kropelki zaczynają parować, żeby uzupełnić równowagę. Para z nich znów osiada na lodzie.

W efekcie kryształy rosną kosztem kropelek. Szybko — w kilkanaście minut osiągają rozmiary opadowe.

Policzone: różnica prężności nad wodą i lodem

T = −5°C: woda 4,21 hPa, lód 4,01 hPa — różnica 5%

T = −12°C: woda 2,44 hPa, lód 2,17 hPa — różnica 11%

T = −20°C: woda 1,25 hPa, lód 1,03 hPa — różnica 18%

Choć różnica względna rośnie ku niższym temperaturom, tempo wzrostu kryształów jest największe około −12 do −15°C — bo poniżej pary jest już tak mało, że nie ma czym rosnąć. Stąd ta strefa jest kluczowa i dla deszczu, i dla gradu, i dla elektryzacji burzy.

Wniosek, który zaskakuje: większość deszczu w Polsce zaczyna życie jako śnieg. Kryształy rosną wysoko, opadają, przechodzą przez izotermę zera i topnieją po drodze. Latni deszcz jest stopionym śniegiem — i to jest normą, nie wyjątkiem, w całej strefie umiarkowanej.

Kształt kropli · i pewien rysunek

Łezka nie istnieje

Kropla spadająca w powietrzu przyjmuje kształt wynikający z równowagi między napięciem powierzchniowym a oporem powietrza:

Kształt zależnie od rozmiaru

Poniżej 1 mm — praktycznie idealna kula

1–3 mm — spłaszczona od spodu, jak bułka do hamburgera

3–5 mm — wyraźnie wklęsła od spodu, jak spadochron

Powyżej 5 mm — rozpada się na mniejsze

Górna granica rozmiaru kropli deszczu jest więc fizyczna, nie przypadkowa. Dlatego bardzo ulewny deszcz to nie większe krople, tylko więcej kropel.

Kształt łezki, z którym rysuje się krople w podręcznikach i na ikonach pogody, nie występuje w naturze przy spadaniu. Pojawia się natomiast przy odrywaniu — kropla wisząca u kranu tuż przed odpadnięciem faktycznie ma szyjkę. Prawdopodobnie stąd wziął się rysunkowy stereotyp.

← Spis treści ↑ Rozdział 12: Narodziny chmury