CloudSat и парадокс осадков
Решил просчитать по оптимизационной модели АэроГЭС различные конкретные точки на Земле, используя данные NASA со спутника CloudSat и ретроспективного анализа MERRA-2. Для этого мне надо было в первую очередь получить статистику по водности облаков (LWC). Поиск привел к очень интересной дискуссии на форуме NASA, в которой обсуждалось как раз ( Read more... )
Comments 13
Reply
Наоборот, по мере роста капель (в основном за счет поглощения более мелких капель) в какой-то момент начинается дождь, когда крупные капли уже не удерживаются восходящим потоком воздуха, который в свою очередь образуется именно от выделения тепла при конденсации. Средняя водность при этом не должна существенно меняться. Тем более осредненная по данным за весь год.
Reply
Reply
Да, совершенно верно. Я считал и для значений абсолютной влажности в MERRA-2. Там разница меньше, но все равно, например, для Дубай примерно на порядок. Да и механизм осадков все же предполагает конденсацию в облаках и дождь, так что равенство количественное не дает равенства качаственного (по физическому механизму). Т.е. тогда надо разбивать процесс на две фазы: длительную (в виде пара) и быструю (в виде конденсата и дождя)... Хотя может быть такое объяснение и является правильным.
Reply
Кстати, откуда берется цифра 1 м осадков в год? Это просто расчетная величина, подтвержденная локальными замерами. Из общего баланса тепла от Солнца (см. презентацию) известно, что на испарение тратится примерно 40 PW. Делим на площадь Земли 510.1 млн км2 и получаем примерно 80 Вт/м2. Делим на удельную теплоту кипения 2300 кДж/кг и получаем 34 мг с м2 в секунду или 1 тонна (1 м3) с м2 в год, т.е. 1 м испарения или осадков.
Reply
Единственное мыслимое объяснение, которое мне приходит в голову, что процесс не квазистатический, а динамический, т.е. сам дождь из облака вызывает в этот момент массовую конденсацию влаги в слое влажного воздуха под облаком, в результате чего осадки многократно превышают исходное количество капельной влаги в этом облаке. Но это переворачивает всю физику атмосферы!
Reply
Напишу комментарий тут, может быть кто-то ещё прокомментирует.
Допустим если 80 Вт/м2 это энергия на испарение. И 1 тонна за год испаряется. Энергия уходит на превращение жидкости в газ. Но энергия на то, чтобы поднять эту тонну на высоту 2 км примерно в 100 раз меньше, чем энергия на испарение.
То есть энергии для того, чтобы поднять водяной пар на высоту 2 км много не нужно. Вроде она есть в избытке. При этом странность заключается в том, что большая часть воды (больше половины) находится на высоте до 250 метров. То есть почему-то природе выгодно оказывается испарить ещё воды и держать её в состоянии влажности у поверхности. При этом на высоте до 250 м. потенциальная энергия оказывается ещё на порядок меньше, то есть на 3 порядка меньше, чем уходит на испарение.
Интуитивно понятно, что испарённая вода не может просто так сконденсироваться обратно, должно быть некое равновесие тут. Странно (я тут пока рассуждаю без учёта механизмов), что при этом пар не перехватывает достаточно энергии, чтобы подняться вверх. Но допустим.
Небольшая ( ... )
Reply
"Но энергия на то, чтобы поднять эту тонну на высоту 2 км примерно в 100 раз меньше, чем энергия на испарение." Подъем воды в виде пара, грубо говоря, не требует никакой энергии. С точки зрения термодинамики это просто процесс расширения (в данном случае, всплытия более легкого влажного воздуха в область меньших давлений), при котором не тратиться энергия, а наоборот, совершается работа по подъему этой воды. Это аналогично процессу расширения нагретого пара на ТЭС или АЭС в турбине, которое заканчивается конденсацией этого пара в конденсаторе (т.е. в облаке). Завершается этот цикл Ренкина сжатием конденсата в насосе - тут выпадением дождя в область более высокого давления на поверхность земли. При этом эффективность такого цикла грубо оценивется формулой Карно, т.е. разница температур между землей и облаком делить на температуру на поверхности в Кельвинах, грубо для облака на высоте 5 км это ~ 30/300 = 10%. Это и было основой для моих исходных оптимистических оценок.
Анализ спутниковых данных показал, что далеко не вся вода ( ... )
Reply
Я подумал, что если процесс динамический, т.е. дождь - это финальная стадия накопления водности облаков, то для расчета осадков надо использовать не среднюю LWC и даже не среднюю в облаке, а именно максимальную, которая должна быть близка к той, при которой облако теряет устойчивость и изливается дождем. Я пересчитал осадки по максимальной водности. Для Дубай получилось даже выше реальных осадков. Для Сингапура осталось все еще на порядок ниже. Очевидно, что надо набрать дополнительную статистику. Возможно это и есть путь разрешения данного парадокса.
Т.е. физический механизм заключается просто в том, что к моменту потери устойчивости процесс естественной конденсации влажного пара в облаке достигает максимума, который близок к максимально наблюдаемой водности. Видимо, важную роль при этом играет внутреннее перемешивание слоев облака, которое обеспечивает все большее снижение температуры в нижней части облака за счет притока капель из верхней более холодной части облака.
Другое дело, что тогда нам удается выйти на уровень осадков как ( ... )
Reply
Leave a comment