Ejercicios Adicionales II: Crecimiento de gotas de nube y cristales

Convección y Microfísica de Nubes
1° Cuatrimestre 2009
PRACTICA N°2: Microfísica
Ejercicios Adicionales II: Crecimiento de gotas de nube y
cristales de hielo
El script de Matlab microfisica.m permite calcular el siguiente proceso:
Se supone una cantidad de núcleos de condensación N de radio inicial Ri y una
saturación ambiente S. Los núcleos tienen todos la misma masa (MS). A partir
de este estado inicial, se realiza el siguiente loop en tiempo:
-
Calculo de K y Dv (los coeficientes de conducción térmica del aire y de
difusión del vapor) en función de T y P.
Cálculo de F(T,P) en base a los valores de K y Dv (F=FK+FD).
Cálculo de Es(T)
Calculo de la S de equilibrio para las gotas en función de la masa de
soluto y la curvatura.
Cálculo del crecimiento del radio de las gotas por difusión de vapor.
Cambio en la masa de vapor por la condensación / evaporación de las
gotas.
Cambio en la temperatura debido a la expansión o a la liberación de calor
latente.
Recalculamos la presión de vapor con los nuevos valores de masa de
vapor, T y P.
A) Crecimiento de gotas de nube por difusión de vapor:
Utilizando el script, se puede analizar como es la evolución del tamaño de las
gotas y de la sobresaturación a medida que la parcela de aire asciende.
Partiendo de los siguientes valores: Ri=0.5 µm, Pi=500 hPa. , Ti=270 K, N=150e6
/kg y una masa de soluto de 10e-15 kg analice:
i)
ii)
Evaluar cómo se comporta la sobresaturación como función del
tiempo (o de la altura) para distintos valores de velocidad de ascenso.
Justifique los resultados obtenidos. Analice el caso en que W es 0.
Ídem, pero en función de la concentración inicial de núcleos (recordar
que en este caso simplificado todos los núcleos se activan al mismo
tiempo).
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Convección y Microfísica de Nubes
iii)
iv)
1° Cuatrimestre 2009
Analice las variaciones de F(T,P) con la presión y la temperatura.
¿Qué consecuencias tiene esto en el crecimiento de las gotas?
¿Cómo sería la diferencia entre la T obtenida a través de este
proceso y la temperatura de un proceso reversible?
B) Fase hielo:
Se supone que esta presente un cierto número de núcleos glaceogenos que se
activan a una temperatura de -4ºC (que se pude modificar mediante la variable
Tumbralhielo). Estos núcleos permiten la formación de cristales que se suponen
esféricos con un radio inicial de 0.5 micrones. El número de los núcleos
glaceógenos es de 150e4 /kg (2 ordenes de magnitud menor que para el caso de
los núcleos de condensación (aunque en la realidad este número puede ser
mucho menor). En el cálculo de la presión de vapor de equilibrio para el cristal,
solo se tienen en cuenta los efectos de la curvatura.
Considerando un ascenso de 500 metros con una temperatura inicial de 270 K:
i)
ii)
iii)
iv)
v)
Evaluar el efecto de incluir el hielo en el crecimiento analizando el
crecimiento de los cristales vs el de las gotas. ¿A que se debe dicha
diferencia?
¿Cual es la consecuencia que tiene la presencia de la fase sólida sobre
la cantidad de agua líquida en la nube?
Evalúe cómo depende este comportamiento de la cantidad de núcleos
de hielo disponibles (es posible que en algunos casos tenga que
considerar mayores ascensos para poder ver mejor el efecto).
Genere un gráfico donde se muestren (en el mismo gráfico) el
contenido de hielo, el contenido de agua y el condensado total.
Discuta los resultados obtenidos.
Analice qué sucede con la sobresaturación cuando la fase líquida
desaparece. Explique la importancia de este proceso en la generación
de partículas precipitantes.
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