Opad atmosferyczny

Opad atmosferyczny, wszystkie ciekłe i stałe cząsteczki wody, które spadają z chmur i docierają na ziemię. Cząsteczki te obejmują mżawkę, deszcz, śnieg, śnieżynki, kryształki lodu i grad. (Ten artykuł zawiera krótkie omówienie opadów atmosferycznych. Więcej informacji na ten temat można znaleźć w dziale klimat: Opady.)

Niezbędna różnica między cząsteczką opadu a cząsteczką chmury to jedna z wielkości. Przeciętna kropla deszczu ma masę równą około milionowi kropel chmury. Ze względu na swój duży rozmiar, cząstki opadu mają znaczące prędkości spadania i są w stanie przetrwać upadek z chmury na ziemię.

Przejście od chmury zawierającej tylko kropelki chmury do takiej, która zawiera mieszaninę kropel chmury i cząstek opadu obejmuje dwa zasadniczo różne etapy: tworzenie początkowych elementów opadu bezpośrednio ze stanu pary i późniejszy wzrost tych elementów poprzez agregację i zderzenie z kropelkami chmury. Początkowe elementy opadu mogą być albo kryształkami lodu albo kropelkami roztworu chemicznego.

Rozwój opadu poprzez wzrost kryształków lodu zależy od faktu, że kropelki chmur mogą spontanicznie zamarzać w temperaturach poniżej około -40 °C, lub -40 °F. (Obniżenie temperatury kropel chmur do temperatur poniżej normalnej temperatury zamarzania jest określane jako przechłodzenie). W przechłodzonych chmurach kryształy lodu mogą powstawać w wyniku sublimacji pary wodnej na niektórych cząsteczkach pyłu atmosferycznego, zwanych jądrami sublimacji. W naturalnych chmurach kryształy lodu tworzą się w temperaturach zimniejszych niż około -15 °C (+5 °F). Dokładna temperatura tworzenia się kryształów lodu zależy w dużej mierze od fizyko-chemicznej natury jądra sublimacji.

Kiedy kryształy lodu uformowały się w obrębie superchmury, kontynuują wzrost tak długo, jak długo ich temperatura jest niższa od zamarzania. Tempo wzrostu zależy przede wszystkim od temperatury i stopnia nasycenia parą wodną otaczającego powietrza. Kryształy rosną kosztem kropelek wody. W sprzyjających warunkach – np. w dużej, szybko rosnącej chmurze cumulusowej – kryształ lodu urośnie do rozmiaru około 0,13 milimetra (0,005 cala) w ciągu trzech do pięciu minut po uformowaniu. Przy tej wielkości tempo wzrostu poprzez sublimację spada, a dalszy wzrost odbywa się głównie poprzez agregację i zderzenia z kropelkami chmury.

Małe krople roztworu są również ważne jako początkowe cząstki opadów. Atmosfera zawiera wiele małych cząsteczek rozpuszczalnych substancji chemicznych. Dwie najbardziej powszechne to chlorek sodu wyłowiony z oceanów i związki siarczanowe powstałe w wyniku reakcji gazowych w atmosferze. Cząsteczki te, zwane jądrami kondensacji, gromadzą wodę ze względu na swoją higroskopijność i przy wilgotności względnej powyżej około 80 procent występują jako krople roztworu. W masach powietrza zwrotnikowego morskiego liczba jąder kondensacji jest często bardzo duża. Chmury formujące się w takim powietrzu mogą rozwinąć pewną liczbę dużych kropel roztworu na długo zanim wierzchołki chmur osiągną temperatury sprzyjające formowaniu się kryształów lodu.

Niezależnie od tego czy początkowa cząstka opadu jest kryształem lodu czy kroplą utworzoną na jądrze kondensacji, większość wzrostu cząstki opadu odbywa się poprzez mechanizmy zderzenia i koalescencji. Ze względu na swoje większe rozmiary, początkowe elementy opadu opadają szybciej niż kropelki chmury. W wyniku tego zderzają się one z kroplami leżącymi na drodze ich opadania. Tempo wzrostu cząstki opadu poprzez kolizję i koalescencję jest regulowane przez względne rozmiary cząstki i kropelek chmury na ścieżce opadania, które są faktycznie uderzane przez cząstkę opadu oraz frakcję tych kropelek, które faktycznie koalescują z cząstką po kolizji.