Моделирование гидротермодинамики кучевых облаков на естественных и альтернативных ядрах конденсации в атмосфере Земли

Исследуется процесс испарения-конденсации природных кучевых облаков на естественных и альтернативных ядрах конденсации. Под естественными ядрами конденсации подразумеваются атмосферные аэрозоли, а под альтернативными - гидрокластеры с ионным центром. Атмосферные аэрозоли - это мелкодисперсные частицы пыли или жидкого вещества, находящиеся в атмосфере или газовой среде во взвешенном состоянии. Гидрокластерами с ионным центром являются заряженные частицы, образованные при взаимодействии с космической радиацией. В отличие от естественных ядер конденсации, локализующихся на высоте ≈1 км от Земли, альтернативные преобладают на высотах от ≈2 км и выше. Экспериментально подтверждено, что на таком уровне существует четырехкратное пересыщение водяного пара. Основываясь на вышеуказанных фактах, провели приближенное аналитическое моделирование испарения-конденсации природных кучевых облаков на естественных и альтернативных ядрах конденсации. Кучевые облака рассматриваются как расширяющиеся несмешиваемые сферические массы, состоящие из сухого воздуха, паров воды и ядер конденсации. Подъем облака происходит за счет ее нагрева при конденсации и последующем адиабатическом расширении. Определена скорость подъёма кучевых облаков в зависимости от степени пересыщения влажных масс и свойств зародышей капель в атмосфере Земли. В частности, показано, что скорость всплытия облака в зависимости от свойства ядер имеет почти четырехкратную разницу. Проведено численное моделирование теплового баланса облака для естественного однократного и альтернативного четырехкратного пересыщений водяного пара при радиусах облака 500, 1000 и 1500 м. Результаты теоретических расчетов показывают, что испарение-конденсация пара на альтернативных ядрах может приводить к резкому лавинообразному формированию грозовых облаков. Показано, что выделение тепла при таком процессе в зависимости от температуры пересыщения в несколько раз превышает количество теплоты, выделяемой при конденсации на естественных ядрах. Таким образом, работа показывает, что альтернативные ядра конденсации могут являться источником грозовых облаков.

кучевое облако, ионизация, гидрокластеры с ионным центром, космические лучи, давление пересыщенного пара, молекула воды, ионизация, центры конденсации, влажность атмосферы, атмосферные осадки

1. Levine J. Spherical vortex theory of bubble-like motion in cumulus clouds // J. Meteor. - 1959. - Vol.16. - pp. 653-662.

2. Morrison H. An Analytic Description of the Structure and Evolution of Growing Deep Cumulus Updrafts // J. Atmos. Sci. - 2017. - Vol. 74. - pp. 809-834.

3. Понамарев Ю. Н., Климкин А. В., Козлов А. С., Колосов В. В., Крымский Г. Ф., Куряк А. Н., Малышкин С. Б., Петров А. К. Исследования конденсации пересыщеного водяного пара при ионизации атмосферы и сопутствующего характеристического ик-излучения // Солнечно-земная физика. - 2012. - Вып. 21. - С. 58-61.

4. Русанов А. И. К термодинамике нуклеации на заряженных центрах // Докл. АН СССР. - 1978. - Т. 238. - № 4. - С. 831-834.

5. Боярчук К. А. Оценка концентрации комплексных отрицательных ионов при радиоактивном загрязнении тропосферы // Журнал технической физики. - 1999. - Т. 69. - вып. 3. - С. 74-56.

6. Дас Гупта Η. Η., Гош С. К. Камера Вильсона и ее применение в физике // УФН. - 1947. - Т. 31. - Вып. 4. - С. 491-584.

7. Christina J. Williamson, et. al. A large source of cloud condensation nuclei from new particle formation in the tropics // Nature, 2019. - Vol. 574. - pp. 399-403.

8. Moser D., Lasher-Trapp S. The Influence of Successive Thermals on Entrainment and Dilution in a Simulated Cumulus Congestus // J. Atmos. Sci., 2017. - Vol. 74. - pp. 375-392.

9. Hirsikko A. et. al. Atmospheric ions and nucleation: a review of observations // Atmos. Chem. Phys., 2011. - Vol. 11. - pp. 767-798.

10. Крымский Г. Ф., Павлов Г. С. Электрическая модель конденсации водяного кластера // Докл. АН. - 2008. - Т. 420. - C. 750-751.

11. Damiani R., Vali G., Haimov S. The Structure of Thermals in Cumulus from Airborne Dual- Doppler Radar Observations // J. Atmos. Sci., 2006. - Vol. 63 (5): 1432-1450.

12. DiGangi E. A. et. al. An overview of the 29 May 2012 Kingfisher supercell during DC3 // J. Geophys. Res. Atmos., 2016. - Vol. 121. - pp. 14316-14343.

13. Крымский Г. Ф. Диссипация энергии в среде с турбулентной вязкостью и вихри Хилла // Докл. АН. - 2019. - Т. 486. - C. 673-674.