เมฆในกล่อง: การผสมละอองลอยและความปั่นป่วน

Anonim

เมื่อพูดถึงการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเมฆเป็นบัตรประจำตัวประชาชน นักฟิสิกส์ในบรรยากาศที่มิชิแกนเทคใช้ห้องคลาวด์ที่สร้างความปั่นป่วนให้เข้าใจรายละเอียดและหยด

ในชีวิตมีเพียงไม่กี่ประการ แต่ Will Cantrell - ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมิชิแกน - กล่าวว่า "ทุกหยดเมฆในชั้นบรรยากาศของโลกเกิดขึ้นจากอนุภาคละอองลอยที่มีอยู่ก่อนหน้านี้"

และรูปแบบที่หยดละอองเหล่านี้เกิดขึ้นกับอนุภาคละอองลอยที่หายากหรืออุดมสมบูรณ์อาจมีผลกระทบอย่างรุนแรงต่อสภาพอากาศและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

เป็นที่ทราบกันมานานหลายสิบปีแล้วว่าเมฆที่มีฝุ่นมีแนวโน้มที่จะมีหยดเมฆที่ใหญ่กว่า แต่ด้วยการวิจัยที่จัดทำขึ้นในห้องเมฆของมิชิแกนเทคซึ่งตีพิมพ์เผยแพร่ในวันนี้โดย การรายงานของสถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์แห่งชาติ Cantrell นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Kamal Kant Chandrakar ศาสตราจารย์ฟิสิกส์ Raymond Shaw และเพื่อนร่วมงานพบว่าเมฆที่สะอาดยิ่งขึ้นมีความแปรปรวนมากขึ้น ขนาดหยด ในความเป็นจริงนั้นมีขนาดใหญ่พอสมควรที่บางแห่งมีขนาดใหญ่พอที่จะถือว่าเป็นฝนตกปรอยๆ

เมฆที่สกปรกชอว์อธิบายไม่เพียง แต่มีหยดเล็กลงเท่านั้น แต่ยังมีความสม่ำเสมอมากขึ้นในขนาดของหยดโดยไม่มีการลดลงของฝนตกปรอยๆ

"ถ้าเมฆมีละอองลอยมากขึ้นในตัวพวกเขาหยดจะมีขนาดเล็กและมีขนาดใกล้เคียงกันมากขึ้น" ชอว์กล่าว "เมฆฝนอาจจะหนักขึ้นและเมฆจะคงอยู่ได้นานกว่านี้หากเมฆฝนตกหรือมีน้ำน้อยลงก็จะไม่มีแสงแดดส่องถึง"

ละอองลอยลูกอมและฝน

สำหรับคนจำนวนมากคำว่าละอองลอยจะทำให้ภาพของสเปรย์ฉีดน้ำจาก Aqua Net หรือน้ำายาทำความเย็นในครัวเรือน แต่ละอองลอยเป็นของแข็งหรือของเหลวที่แขวนลอยอยู่ในแก๊สหรือของเหลว

เมื่ออนุภาคละอองลอยในชั้นบรรยากาศของโลกทะลักเข้าสู่น้ำจะกลายเป็นหยดเมฆ อนุภาคละอองของตัวเองมีขนาดเล็ก เมื่อหยดเมฆกลายเป็นหยดน้ำฝนจะเติบโตขึ้นเป็นล้านเท่าเมื่อเกิดความผิดพลาดของละอองน้ำและรวมเข้าด้วยกัน สิ่งที่ชอว์และ Cantrell ต้องการทำความเข้าใจคือวิธีที่ละอองลอยส่งผลต่อขนาดที่หยดเมฆกลายเป็นหนักพอที่จะตกตามสายฝน

เมื่อคิดออกแล้วพวกเขาก็เดินเข้าไปในห้องเมฆและสร้างเมฆสองชนิด - เมฆที่สกปรกมากและคนที่สะอาดมาก นึกภาพน้ำที่มีอยู่ในเมฆเหล่านี้เป็นpiñataเต็มไปด้วยลูกอมและละอองลอยทั้งหมดเป็นเด็ก หากมีเด็กอยู่ในห้องก็มีแนวโน้มว่าส่วนใหญ่จะได้รับขนมชิ้นหนึ่ง ถ้าเพียง 10 เปอร์เซ็นต์ของเด็กอยู่ที่นั่นเพียงไม่กี่คนที่เร็วหรือโชคดีเท่านั้นที่จะตักตวงของดีๆ ละอองลอยในแบบเดียวกันสำหรับไอน้ำ: ละอองลอยมากขึ้นส่งผลให้หยดละอองขนาดเล็กลงและมีการกระจายตัวที่เท่ากันและละอองลอยน้อยลงทำให้เกิดหยดที่มีขนาดใหญ่และมีการกระจายตัวที่ไม่สม่ำเสมอ

แต่มีอีกองค์ประกอบสำคัญที่ต้องพิจารณาคือความปั่นป่วน ลูกกวาดการพ่นและขูดขีดที่ปลดปล่อยออกมาจากpiñataเป็นเหมือนไอน้ำในเมฆจริงที่ถูกผสมและหมุนวนอย่างต่อเนื่องโดยความปั่นป่วน บางครั้งความวุ่นวายจะสร้าง "ไอน้ำ" สูงขึ้น ในเมฆที่ปนเปื้อนมีหยดจำนวนมากอยู่ที่นั่นเพื่อดูดซับไอน้ำขึ้น ในเมฆที่สะอาดการเพิ่มขึ้นของไอน้ำสูงอาจใช้เวลานานเป็นเวลานานโดยมีเพียงหยดนิดหน่อยในบริเวณใกล้เคียงของไอน้ำถึงมึนเมาและเติบโตได้ดีกว่าเพื่อนบ้านของตน

"ในการแพร่กระจายของขนาดหยดแบบหยดละอองละอองละอองเมฆเมฆมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นละอองฝนเพราะมันมีแนวโน้มที่จะชนกันมากขึ้น" Cantrell อธิบายเพิ่มว่าหยดละอองขนาดต่างๆลดลงด้วยความเร็วที่ต่างกันเนื่องจากชั้นบรรยากาศของโลก เมื่อหยดฝนตกความเร็วของพวกมันถูกควบคุมโดยความสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงที่ดึงพวกมันลงและลากพวกมันไว้ในขณะที่น้ำฝนตกที่ความเร็วเทอร์มินัล

มีเมฆขาวเมฆสว่าง

มีหลายแหล่งที่มาของการปล่อยละอองลอย ทุกคนที่เคยเป็น megacity รู้ว่าหมอกควันของละอองลอยสีส้มที่มักแขวนอยู่ในอากาศ นักวิทยาศาสตร์มีเหตุผลที่ดีที่จะคาดหวังว่าการปล่อยไอออนละอองลอยเหล่านี้จะทำให้ความสว่างของเมฆลดลงและเมฆมีฝนตกอย่างมีประสิทธิภาพ การศึกษาของมิชิแกนเทคได้เสริมว่าเมฆที่สกปรกมากขึ้นซึ่งเป็นเมฆที่สว่างกว่าซึ่งกระจายแสงแดดมากขึ้นสะท้อนให้เห็นถึงพื้นที่บางส่วนของมันกลับคืนสู่อวกาศอาจจะมีอายุการใช้งานนานเพราะไม่ค่อยมีแนวโน้มที่จะนำไปสู่การตกตะกอน

"เมฆเป็นบัตรป่าขนาดใหญ่" ชอว์กล่าว "เรากำลังมองหาเมฆเป็นส่วนหนึ่งของระบบภูมิอากาศที่มีขนาดใหญ่เช่นเดียวกับส่วนที่เชื่อมต่อกันทั้งหมดของระบบเมฆมีแนวโน้มที่จะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในระบบ แต่พวกเขาจะตอบสนองอย่างไรพวกเขาจะตอบโต้คาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมากได้อย่างไร ผลหรือเพียงเล็กน้อย? "

การศึกษาเมฆในธรรมชาติเป็นสิ่งที่ยากลำบากอย่างฉาวโฉ่ นักวิจัยต้องใช้สิ่งที่พวกเขาได้รับในวันใดวันหนึ่งและไม่มีอะไรคงที่ ในห้องคลาวด์ชอว์และ Cantrell สามารถควบคุมสิ่งที่เรียกว่าตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์และจุลภาค ได้แก่ อุณหภูมิความดันปริมาณละอองลอยและไอน้ำ

สิ่งที่ทำให้ห้องเมฆมิชิแกนเทคแตกต่างจากที่อื่นคือภายในเมฆมีความวุ่นวายและนักวิจัยสามารถเก็บเมฆไว้ได้ตราบเท่าที่พวกเขาต้องการตราบใดที่พวกเขายังคงให้ละอองลอย ในห้องอื่น ๆ เมฆจะคงที่มากขึ้นและใช้เวลาไม่กี่นาทีเท่านั้น ห้องมิชิแกนไฮเทคทำงานแตกต่างกันเนื่องจากมีเมฆผสมระหว่างพื้นผิวร้อนและเย็นซึ่งเป็นกระบวนการเดียวกันที่ก่อตัวเมฆหรือหมอกเหนือทะเลสาบในวันที่อากาศตกเมื่ออุณหภูมิของน้ำสูงกว่าอุณหภูมิของอากาศ

ออกจากกล่อง

ชอว์ตั้งข้อสังเกตว่าความแรงของการวิจัยในห้องเมฆเป็นข้อ จำกัด ของมัน

"ความแรงคือการควบคุมทุกอย่าง" ชอว์กล่าว "แต่บรรยากาศเต็มไปด้วยการตอบรับ - คุณเปลี่ยนสิ่งหนึ่ง

ห้องเมฆจะช่วยขจัดข้อกังขาจำนวนมากและนักวิจัยเข้าใจถึงสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อสภาพคงที่ แต่ธรรมชาติไม่เคยคงที่ดังนั้นหนึ่งในขั้นตอนต่อไปคือการทำการวิจัยไปยังฟากฟ้า

ชอว์และเพื่อนร่วมงานได้ร่วมมือกับศูนย์วิจัยบรรยากาศแห่งชาติ (NCAR) และสถาบันวิจัยชั้นนอกของเยอรมนีเพื่อใช้ห้องทดลองทางอากาศในการศึกษาเมฆและตอนนี้พวกเขาสามารถทดสอบสมบัติของขนาดและการกระจายตัวของเมฆจริงได้ นักวิจัยยังวางแผนที่จะร่วมมือกับ Pacific Northwest National Laboratory เพื่อดำเนินการตรวจสอบรูปแบบบรรยากาศของพวกเขาต่อไปโดยใช้การจำลองและการควบคุมห้องคลาวด์

สำหรับตอนนี้เมฆที่มนุษย์สร้างขึ้นจะช่วยให้ข้อมูลเชิงลึกมีเฉพาะผ่านห้องคลาวด์เฉพาะของทีมเท่านั้น นักวิจัยส่วนใหญ่เข้าใจภายในห้องเมฆนักวิทยาศาสตร์ด้านบรรยากาศที่ดีกว่าสามารถใช้ความรู้นี้นอกกรอบได้

menu
menu