云仿真实验室
能力和未来的发展方向
弗兰克•Stratmann1 Ottmar Mohler2雷蒙德Shaw1 3, Heike Wex1
1莱布尼茨对流层研究所、莱比锡、德国2气象和气候研究所Forschungszentrum卡尔斯鲁厄,卡尔斯鲁厄,德国3密西根科技大学,霍顿,MI,美国raybet雷竞技最新
文摘
因为大气中只提供观察的可能性和不允许的设置初始和边界条件,实验室研究是重要的工具来检查云下流程定义良好的、可重复的条件和扩大我们的理解。概述了实验室研究能力和局限性的云物理过程。气溶胶颗粒吸湿增长和激活,液滴动态增长,冰成核、droplet-turbulence交互处理和实验室设备适用于调查和模拟这些云物理过程。这些设备包括便携式测量仪器选择的粒子和云滴属性,设置允许过程研究在模拟云条件下,实验允许几乎全面的云模拟。的问题laboratory-generated云粒子和它们的重要性在实验室模拟进行了探讨。最后,建议提出了未来可能的研究课题和设备领域的云模拟实验室。具体建议包括起始和/或继续调查关于颗粒吸湿增长和激活,水蒸气的住宿系数在液体水和冰,气溶胶的影响主要冰形成云,aerosol-based参数化冰云形成二次冰形成/冰乘法,适合的生产和表征粒子云仿真实验,实验,结合湍流和粒子物理学。后者的话题很重要,因为它提供了唯一可能的方式模拟和量化的可能微观物理学的之间的交互和反馈(激活、增长、冷冻)和云内湍流运输过程。
介绍
全球大气云层构成复杂系统的重要性。云影响气候raybet雷竞技最新降水的来源。大气云层散在发生地点,通常很难达到。因此,调查大气云(即。,试图了解云的形成和动态过程在云原位)是一个雄心勃勃的,昂贵,通常不可能完成的任务。更糟糕的是,每个云是独一无二的;即,测量大气中的云遭受缺乏re-producibility的初始和边界条件。与云计算系统本身的复杂性,这就解释了为什么云的形成和云动态过程尚未量化和为什么他们还不清楚。
实验是这样需要允许(a)隔离,检查,量化个人云过程和(b)的组合选择云的模拟过程。这样的调查必须在执行控制和可再生的初始和边界条件。这些需求可以实现原位,因此实验室研究必须解决整个范围:从选择单一cloud-relevant流程仿真实验室规模的云。迄今为止,实验室调查不,最有可能永远不会,能够再现真实世界云特征。换句话说,虽然单一特征,如温度和压力范围、时间尺度,有生之年,可以在实验室复制选中云的类型等特点,实验室实验是不完整的云计算规模,云的表面积与体积比,没有任何坚硬的表面,和雷诺数。尽管如此,实验室研究是强制性的,如果我们要增加我们的理解选择云过程以及云一般。
在这一章里,我们解决云物理过程的实验室调查,排除,然而,云化学过程从我们的考虑。首先我们介绍重要的过程,如吸湿增长和气溶胶粒子的激活,液滴动态增长,冰成核和液滴冻结,droplet-turbulence交互。此后我们描述的最新方法,工具,和设施为研究云物理过程。最后我们提供建议和讨论重要的未来的研究主题以及需要进一步的想法和设施。
云过程在实验室模拟吸湿增长和激活
大气气溶胶粒子吸收水的能力是主要的链接对云的影响。为水蒸气浓度低于饱和
(即。、相对湿度、RH < 100%)、粒子可能hygroscopically成长,这样,当一个阈值达到过饱和(RH > 100%),云滴的粒子激活。processes-hygroscopic增长和激活——强烈依赖于粒子的属性如大小、结构和化学成分(见Kreidenweis et al .,这卷)。
广泛接受,吸湿增长和激活可以通过科勒方程建模(科勒1923)。然而,正确的测定参数和方程系数(例如,水活性和表面张力),因此吸湿增长和激活的一致的理论描述,仍然是一个正在进行的研究的主题。解决方案的关键是,尽管吸湿增长低于95% RH是由水滴活动(拉乌尔术语),激活强烈影响开尔文,既依赖于液滴的大小和表面张力。这意味着,只有结合吸湿增长和足以描述完全激活测量粒子的行为加湿。
许多无机和有机物质的大气的重要性已经在实验室检查对其吸湿增长和激活。总结这些调查的结果,可能会说(a)除了粒子的大小和构成,表面张力施加巨大影响力点在激活过程(给出相应的敏感性Wex et al . 2008年);(b)激活液滴的表面张力可能显著不同的水如果表面活性物质的存在,和(c)对大多数研究物质,激活,看来适当的假设理想行为的溶液滴和水的表面张力,。
然而,我们仍然缺少的手段描述一致,定量,高效吸湿增长和大气(即激活。内部复杂的多组分)气溶胶粒子(内部可溶性的混合物,稍微可溶性和不可溶性有机,无机物质基于相当少量的粒子物理和化学性质。
液滴生长
激活后,云滴增长的结果进一步冷凝液滴表面的水分子。在这个过程中,水蒸气是枯竭和热释放到水滴的周围。这个影响蒸汽的浓度,温度,因此附近的水蒸气饱和领域增长的水滴,因此大部分的云。因此,经济增长的一个关键的冷凝过程控制云属性如过度饱和水汽和云滴大小和数量。的一个主要参数描述收缩液滴增长是水蒸气的调节系数液态水。这种调节系数已经争议讨论了很长一段时间。文献表明之间的调节系数0.01
和1.0 (Davidovits et al . 2006);然而,我们不理解所观察到的差异的原因。
另一个重要的生长机制是液滴collision-coalescence。一个开车背后的力量collision-coalescence过程的平衡重力和流体阻力,使云滴大小不同的下降速度是不一样的。这个微分沉降导致较大和较小的液滴之间的碰撞,因此增长更大的水滴。然而,微分沉积作用是不是唯一的过程,导致液滴碰撞。另一个重要机制是turbulence-induced液滴运动和它仍然不能很好地量化(下面进一步讨论)。
冰成核和液滴冻结
气溶胶粒子活化后,生成的云滴可以进一步高举在大气中,在那里他们可以冷却温度低于0°C。自发的冻结纯水然而,由能量势垒阻碍,主要是因为新冰胚之间的表面张力,由随机过程和周围的过冷液体水阶段。只有在温度低于ca。-35°C是冰形成足够规模的细菌,从而诱导冻结整个云滴。齐次冰冷的水滴测量在两个实验室模拟云条件符合经典nu-cleation理论公式(更和罗杰斯1990;奔驰et al . 2005年)。最近实验室测量冻结的水单microdroplets证明齐次冻结过程体积依赖(Duft和Leisner 2004 b)。这些结果与假设冲突均匀冻结在液滴表面优先启动,至少对于液滴直径大于几微米。
在温度0°、-35°C之间,可以诱导冻结过冷云滴固体气溶胶粒子与特定的表面属性,称为冰核(在)。这种异构冰成核过程是由一个粒子沉浸在液滴(沉浸模式)或接触表面的液滴(联系方式)。如果云凝结核(CCN)激活发生在足够低的温度下,相同的粒子可以首先充当CCN,随后在(冷凝模式)。水蒸气的直接沉积表面的固体颗粒被称为depositionmode冰成核。直到现在,一直知之甚少的丰度和性质不同或冰成核的不同模式的相对重要性在混合相位的云。各种目前正在进行的研究项目试图将异构冰成核效率与特定的气溶胶特性和开发异构aerosol-based配方冰成核在云,天气预报和气候模型。raybet雷竞技最新
在温度低于-35°C,不断增长的水滴冻结速率足够快,这样云只包含冰颗粒和液体水滴。这些冰云(卷云)是通过形成均匀的液滴冻结过冷的水或解决方案,或者通过异构冰成核过程(cf。因为Karcher Spichtinger,这卷)。微米大小的解决方案粒子均匀冻结阈值的增加约1.4的饱和度在-40°C到1.7在-80°C。矿物尘粒被认为作为非常有效的在低温和冰饱和率低于1.2(莫赫勒,Bunz et al . 2006年)。卷云倾向于包含更少但更大的冰晶如果主要由异构的冰成核过程。的数量和大小卷冰晶对之间的平衡有重要影响短波冷却和长波加热卷云的气候系统。raybet雷竞技最新需要更多的实验和模型调查评估和量化异类和同类之间的竞争在卷云成冰作用。
冰粒子增长和习惯
冰阶段影响云的冷却和气候变暖的能力,在许多情况下,启动降水和降水的分布和强度的影响。主在混合相位云中冰晶的数量由异构的数量通常远小于液滴的浓度。不过,冰晶可以长到大尺寸的液体滴(Bergeron-Findeisen过程)。此外,冰阶段可以增强二级流程(如冰分裂,所谓Hallett-Mossop效果,淞化,和冰晶体聚合),导致快速变化的内部结构混合相位的云。这些变化的定量描述需要更好地理解基本的流程,如住宿的水分子在冰粒子,冰分裂形成的速率,与液滴冰粒子的碰撞率,冰晶的聚合率,或动荡的影响,例如,收缩增长,聚合和底盘。
只有少数实验室实验调查的Hallett-Mossop效果冰分裂形成过冷云滴之间的碰撞和冰晶(例如,桑德斯和Hosseini 2001)。大多数中等冰云模型参数化过程在云是基于经验主义的考虑。
测量质量的住宿coeffi字母系数水蒸气的冰是相对稀缺的,不是完全相互一致。倾向于支持的数据认为住宿coeffi字母系数是温度的函数,并可能过度饱和和晶粒大小。最近在可控的实验室测量实验,包括小晶体悬浮在一个电动平衡,导致了温度的调节系数为0.006±0.0015 -50°C(麦基et al . 2006年)。一个非常低的质量调节系数对卷云将有着重要的影响属性和对流层上部湿度。因此,需要进一步的实验。
原始冰晶的生长有明显的习惯(如列、盘子、针或子弹花结,或更紧凑,多晶形状)主要是由温度控制在晶体生长和过度饱和。然而,它也可能取决于冰晶的形成机制(见,例如,贝利和哈雷特2002)。优惠晶体习性和生长条件的关系建立,但对冰的形成模式的影响晶体的形状。还有一个缺乏实验数据量化水晶习惯在晶体生长速率的影响,碰撞率,沉降速度,辐射特性。
正如上面所讨论的,冰的数量和质量浓度的动态变化云仍然是很难理解和量化。需要进一步关注的问题包括水蒸气在冰上的调节系数和湍流的影响或水晶的习惯,例如,收缩增长,聚合和底盘。
生成和特征用于实验室的粒子云模拟
粒子的属性用于l aboratory云研究不是本章的重点。然而,由于这些属性可能严重影响执行期间获取的实验结果,我们提供了一些关于这个主题的想法。
在实验室模拟气溶胶云交互需要以下:
1。粒子必须具有定义良好的物理和化学特性生成大量(有时)。
2。粒子属性(例如,由不同的蒸汽冷凝)必须适应的具体需求进行实验。
3所示。粒子必须根据他们的特征属性感兴趣的有足够的精度。
一些重要的属性包括在这种情况下颗粒直径、形状、内部结构、体积、质量、表面积、表面性质等活跃的站点数量,和化学粒子组成。在这里我们不讨论粒子的生产或设计为一个特定的实验;相反,我们地址简单一些选定的特征属性。
描述粒子属性感兴趣的某个云实验代表一个真正的挑战,有时甚至是不可能实现的。让我们考虑解决方案中的异构冰成核过程液滴与固体矿产灰尘或烟尘核心,我们添加一个薄(如5 nm)有机涂层。描述液滴是冷冻的,我们需要知道矿物粉尘的体积核心,有机物质核心粒子的数量,核心粒子的表面性质(例如,活动网站的数量),液滴的大小,液滴内部的核心的位置。
确定这些特性是重要的,需要等高端仪器微分流动分析仪(DMA)、低压impac-tor,质谱仪,光学粒子/滴光谱仪。核心粒子的表面性质,这是最有可能的关键理解冰成核过程,目前几乎无法量化。
可靠的生成和充分的描述粒子用于实验室的云模拟是重要问题,还需要进一步的我们的能力和努力。
Droplet-Turbulence交互
当我们试图理解和量化云,有必要考虑湍流的作用,包括特定的粒子之间的相互作用和动荡以及多尺度湍流运输过程。液滴增长通过冷凝和collision-coalescence或聚合基础拉格朗日的历史过程和依赖个人云水滴或冰晶云。因为云粒子具有较高的密度与空气相比,他们的轨迹是不一样的,流体元素。热力学领域的示例,它们碰撞的角度和速度受到周围气流的影响。在更大的尺度上,湍流运输过程导致混合云之间以及混合云内及其周边地区。紊流传输过程影响强烈温度,水汽浓度,内饱和度分布和云的边缘。因此,湍流传输过程影响云微物理过程(例如,云滴的激活和增长),因此影响云微物理特性(例如,云滴数,云滴大小分布,甚至云滴的小规模的空间分布)。为了让事情更加复杂,这未必是一个单向的过程。云微物理过程,如冷凝和蒸发可能影响当地湍流通过潜热的影响,导致云mi-crophysics和动荡之间的反馈。droplet-turbulence交互的例子已经在实验室研究调查和模拟夹带,惯性粒子动力学,turbulence-influenced增长和collision-coalescence收缩。
夹带,正如上面提到的,是一个主要的云及其环境之间的交互过程。它描述了运输“干燥”空气,气体和气溶胶粒子从云环境的云湍流混合过程。相反的过程——运输以外的混浊空气云是叫逸出。夹带过程被认为是负责广泛的液滴大小分布中观察到真正的云,这是相比之下从理论计算结果。然而,夹杂的基本物理过程并不完全理解:问题仍然存在,例如,关于竞争的角色齐次和非齐次混合。
湍流的影响液滴collision-coalescence是一个关键的过程,需要理解在云层的水滴的增长。在静止流,水滴会碰撞仅仅通过这个微分沉积机制。然而,在湍流,显著的速度和加速度分量垂直于垂直将提高碰撞概率,因此液滴增长。
这些云droplet-turbulence交互过程主要通过数值模拟和现场测量研究了在过去的十年,但控制实验,可以隔离和验证特定的机制,仍然是需要的。
在实验室模拟云的方法流程
介绍了云计算实验室调查的主题,让我们来看看这些研究中使用的一些重要的实验方法。下面讨论的设备列表不是应该包容,而是旨在说明目前使用或正在开发的主要技术。这里介绍的实验室设备范围从便携式仪器适用于实验室和存在误伤,大规模的钱伯斯调查个人云过程,最后大云模拟器。然而,我们注意到,目前,也最有可能在不久的将来,没有设备可以模拟一个“真正的”云与所有相关流程和复杂性。与上面描述的云物理过程研究了不同设备在不同的尺度,他们将分为以下组:
1。测量设备选择的粒子和云滴的属性。
2。设备允许过程模拟云条件下研究。
3所示。设备允许大规模的云模拟。
测量设备选择的粒子和云滴的属性
我们现在的仪器,可用于实验室和现场研究来确定粒子和液滴性质。具体来说,我们讨论了湿度串联差流动分析仪(H-TDMA),不同的CCN,计数器,电动平衡(教育局)。
湿度串联微分移动性分析器
H-TDMA工具被广泛应用于模拟和量化size-segregated空气粒子的吸湿增长高达98% RH范围(McMurry和Stolzenburg 1989)。所有H-TDMAs特性相同的工作原理:从现有的干燥粒度分布,一个定义良好的大小比例提取的第一个DMA。随后的大小选择,气溶胶粒子是湿润的,以及由此产生的颗粒大小的变化是由第二个DMA的方式。结果通常是由于生长因子(即。,粒子的比例/液滴大小)之前和之后的加湿。不同H-TDMA系统之间的主要差异是(a)的加湿方法和(b)的方式RH和温度控制。
H-TDMAs是优秀的工具来模拟和量化RH吸湿颗粒增长高达98%。他们被广泛应用于实验室和现场研究。然而,他们在RH经营范围控制粒子的增长主要是由水分活度(而不是开尔文效应)。
云凝结核计数器
云滴粒子激活可以模拟和量化通过CCN计数器。激活是通过对气溶胶粒子与过饱和水蒸汽的环境。不同的技术可用于创造这种环境。绝热膨胀就是这样一种方法,但它往往带来过度饱和(百分比的顺序数以百计的百分比)比那些观察到真正的云。另一种方法涉及到湿平行板不同的温度(Radke和霍布斯1969)。在这里,两个板块之间的传热传质过程的非线性饱和蒸气压导致air-particle-water蒸汽混合物在两个板块之间的差距成为过饱和,过度饱和的峰值表面之间的大约一半。最近,连续流流向热梯度CCN计数器已成为商用(罗伯茨和nene 2005)。这里,发送一束气溶胶通过圆柱列的中心浸湿墙壁,这样温度升高不断沿着列。过度饱和实现因为水蒸气扩散速度比热量从墙上的中心列。
测量使用CCN计数器被用来确定激活大气气溶胶粒子的浓度和分数在给定的过度饱和,粒度(也就是独立的。,气溶胶粒子激活的数量与浓度总数)。最近,一个DMA有时上游的CCN计数器用来获取信息的尺度依赖的激活粒子检查。这允许对值的检索为激活关键过度饱和和临界直径。
CCN计数器已广泛应用于实验室和领域。他们是非常有用的设备测量气溶胶粒子的激活滴。然而,他们instrument-specific条件下这样做。时间尺度和过度饱和的概要文件在仪器不同于那些在大气中获胜,因此一个一对一的翻译从数据测量与CCN计数器在大气条件下云并不总是可行的。
冰核反击
计数器是仪器,确定在给定的粒子的数量浓度人口在一个特定的冰过度饱和。他们可以被视为设备来模拟云内冻结过程的一个子集。当前可用的例子在计数器(a)连续流扩散室(CFDC)(罗杰斯1988;罗杰斯et al . 2001年),(b)苏黎世冰成核室(锌)(Stetzer et al . 2008年),和(c)快速冰核室(雀)(Bundke et al . 2007年)。CFDC和锌都是基于相似原理但功能不同的几何图形(分别为圆柱和平行板)。在这两种设备,颗粒受到的环境过饱和对冰的两个“平行”的表面都涂有冰,但功能不同的温度。结果两个表面之间的传热传质和温度的依赖关系的非线性饱和蒸汽压,air-particle-water蒸汽混合物在两个表面之间的差距是过饱和对冰,和过度饱和的山峰表面之间的大约一半。根据两个表面之间的温差,可以实现不同的过度饱和。由于表面温度可以多种多样,可以确定在数量和或冰成核概率的函数冰过度饱和。冰粒子的数量决定通过一个光学粒子计数器在仪器的出口。
芬奇根据不同的经营原则。这里过度饱和是通过汹涌澎湃地混合温暖潮湿的空气和凉爽干燥的空气流管。再次,冰粒子探测到一个光学粒子计数器的方法。
这三个工具已成功申请调查laboratory-generated和大气气溶胶粒子。然而,类似于CCN计数器,计数器测量数字instrument-specific条件下。时间尺度和过度饱和的概要文件在仪器不同于那些存在于云。此外,在柜台目前缺乏的可能性来确定冰粒子大小/质量,因此冰粒子的增长速度。大部分的仪器操作在沉积或凝结成核模式,因此沉浸和联系方式没有可衡量的。
电动平衡
单一的气溶胶颗粒和液滴可以悬浮并存储在教育局(审查,看到戴维斯1997)。只存储时间主要是无限和有限的实际原因。教育局气溶胶研究的应用在许多领域,包括异构的化学、潮解和风化盐颗粒和光学特性的粒子通常大于直径几微米。最近,教育局设备温度控制的环境中也被用于调查冻结microparti-cles如硫酸(Imre et al . 1997年)或纯水滴(Duft和Leisner 2004 b)。
几个配置教育局已经被提出,用于各种应用程序的戴维斯(1997)。教育局的一个更复杂的版本包括一个中心旋转对称环形电极,与对称轴垂直方向和两个后盖电极在相同的对称轴。教育局的维粒子悬浮在5 - 10厘米的范围。最优存储和悬浮microdroplets在大气压力的结果得到的帽和环面双曲面的形状。一个交流电压振幅的1 kV和几百赫兹的频率应用之间的环形电极和结束帽;这是带电粒子陷阱的一个小区域围绕对称轴。两端之间的叠加直流电压上限调整平衡重力粒子的陷阱。
质量的变化,例如,蒸发水水滴在教育局与平衡电压敏感地监测。球形液滴,折射率也可以获得米氏散射特性观察光(例如,Duft和Leisner 2004 a)。如果折射率是已知的,相同的设置可以用来测量液滴尺寸准确。检测到液滴的冻结depolarization-sensitive光散射技术。而液滴的过程中可以学习教育局在宽的温度范围内,教育局的设置是有限的实现和控制高湿度甚至过度饱和对冰和水。此外,可能影响液滴的电荷和应用电场应该牢记。
设备允许过程模拟云条件下研究
让我们来看看这些设备,允许调查云物理过程的模拟云的条件。再一次,我们的讨论并不是完整的但为重要state-of-the-art-cloud仿真技术和设备特性的例子。具体地说,我们将讨论(按字母顺序),大气中的气溶胶交互和动态(AIDA)室,莱比锡气溶胶云交互模拟器(方网眼花边),气象研究所(MRI)室,美因茨大学的风洞。
同时,我们解决设备(风洞和钱伯斯)用于研究云droplet-turbulence交互。
大气中气溶胶的相互作用和动态
气溶胶和云过程可以调查的AIDA设施Forschungszentrum卡尔斯鲁厄在各种模拟大气条件下,包括温度、压力、湿度、以及微量气体和气溶胶成分(奔驰et al . 2005;莫赫勒,Bunz et al . 2006年)。实验在大AIDA室与单悬浮microdroplets辅以实验(见上图)以及详细流程模型的开发和应用与气溶胶和云微物理公式(莫赫勒,字段et al . 2006年)。
AIDA功能的核心是一个圆柱形铝容器体积为84立方米。船可以疏散压力低于1 hPa位于一个热绝缘容器可以冷却温度低至-90°C。冷却系统维护均匀温度条件几个小时到几天,与时间和空间波动在整个容器下面±0.3°C。实验开始定义良好的压力、温度、和RH条件和良好的微量成分的混合物。关于冰和/或液体水,过度饱和是通过注入扩张和相应绝热冷却容器的体积。因此,类似于李波或条件对流云团可以模拟冷却率约为0.1至5 K最低为1。在典型的云扩张模拟运行,AIDA容器中的压力降低了从1000年到800年hPa在5到10分钟。
一组全面的商业以及特殊设计和自制的工具可以生成各种气溶胶AIDA室的测量以及粒子物理和化学性质,水蒸气示踪气体浓度、光学粒子属性和冰云特征。这组包括标准气溶胶仪器(如凝结核计数器和电迁移、空气动力学和光学分级技术,傅里叶变换红外和可调谐二极管激光器光谱)和特别设计的散射,去极化,成像技术检测和表征的冰粒子。
AIDA功能的优势之一就是云过程可以在现实条件下调查内部的变化和波动的温度和湿度。完整的AIDA云仿真周期包括气雾剂的制备,吸湿增长,CCN激活,,如果足够低的温度,冰成核。气溶胶老化的影响和云处理可以在后续调查扩张周期相同的气溶胶。然而,室的湿度控制的精度是有限的只有几个百分点的温度波动和墙效果。
莱比锡气溶胶云交互模拟器
方网眼花边(Stratmann et al . 2004年)是一个设备调查复杂的相变过程,如粒子/滴吸湿增长,激活,冰异相成核,和冰粒子的增长。方网眼花边设计准确模拟云过程发生在短时间尺度(即。,一分钟)。其主要关注的是粒子size-resolved调查;它功能粒子/液滴生成和检测设备生产能力,检测,单分散颗粒和液滴大小分布特征。热力学参数如温度、压力、RH,关键过度饱和,组成,颗粒的浓度/液滴和载气的化学成分可以在范围变化类似于对流层较低。
方网眼花边由一个直径15毫米的层流管温度控制的墙壁。流管的长度可以从0.5米到10米不等。住宅乘以60 s和温度下降到-50°C是可行的。使用高精度仪器,热力学条件方网眼花边流管可以以极高的精度控制和再现性(温度约0.05°C, RH约0.5%,和关键过度饱和大约0.05%)。粒子/液滴大小分布在方网眼花边生产决心通过特殊设计的光学粒子计数器安装沿轴方网眼花边。这些光学粒子计数器能够计数、分级,并区分阶段状态(如液体、冻结)的单个液滴在方网眼花边。
方网眼花边可能操作两个子任务和过饱和条件下对水和冰。因此,结合模拟吸湿增长的能力,动态激活后增长,液滴冻结,和随后的冰粒子生长成一个乐器。
方网眼花边主要探讨使用吸湿增长和激活不同类型的气溶胶粒子的行为。在最近的一项研究,它已成功应用于连接高RH吸湿增长和激活行为选择的无机和有机物质(例如,Ziese et al . 2008年)。最近,初步调查已进行的沉浸和沉积冻结单分散的尘埃粒子。
气象研究所云室
新动态云室模拟和调查和CCN过程最近发达在筑波气象研究所(MRI),日本(t .在珀耳斯。通讯)。室也有类似的设计到科罗拉多州立大学云室(更和罗杰斯1990)。云绝热膨胀过程是模拟的同步控制空气压力和壁温1013 - 30 hPa和范围
分别为30到-100°C。可以模拟等效绝热膨胀上升气流的速度30 m s - 1。
室由两个不锈钢器皿、外压控室,和一个内部温控室。内圆柱容器的高度为1.8米,直径1米,体积为1.4立方米。的墙壁内容器由循环冷却剂温度控制。粒子注入(空气供给)端口位于室的顶部。一个小风扇激起注入的空气体积内实现同质性。室配备了各种仪器对气溶胶特性,CCN测量,以及水滴和冰晶检测。
在云的形成实验,模拟上升跟随干adia-batic扩张,直到空气温度对应于解除凝结水平(拼箱)。此后,湿绝热膨胀模拟。初始条件的压力、温度、露点温度,提升速度必须计算冷却/疏散速率和拼箱。精确的温度和压力控制是由前馈和连任三届的PID控制方法。内的实际温度和压力通常举行0.5°C和0.3 hPa命令的概要文件。
在核磁共振室的优点是宽温度范围(低至-100°C)以及绝热云扩张周期可以通过主动控制模拟气体和露或霜点温度。美国商会将用于研究云的形成过程,如CCN激活,冰成核、人工播云的各个方面。因为较小的体积,只能操作低数量的采样仪器室,特别是在低膨胀率。
美因茨大学风洞
垂直风洞美因茨大学,德国,是用来调查和模拟云过程,如吸收微量气体的雨滴,湍流的影响碰撞的云滴增长,和气溶胶粒子的压紧扫气(Pruppacher 1988;Vohl 1989)。风洞允许自由悬挂的水滴或其他水文气象实验段的终端速度。风洞内的流动是由两个真空泵上水平隧道的一部分。实验部分的上升气流的速度,由一个变量控制流音速喷嘴。在较低的水平隧道的一部分,有粒子过滤器和空调可以调整空气湿度在实验部分和温度。痕量气体、气溶胶粒子或云滴可以引入风洞实验段的上游。下游的实验段可以带空气样品来确定空气温度和露点测量痕量气体浓度。
在实验部分,暂停,可以直观地观察水文气象、居留时间定义后,水滴可以收集并从风洞中删除,固定在样品瓶,并通过离子色谱进行分析,以确定其成分。
到目前为止,云滴的碰撞增长,气溶胶粒子嵌入扫气,气体吸收单个水滴或冰晶在层流和/或湍流条件下研究了。滴浸和接触冻结过程也被调查。
其他的风洞
我们想要提到两个风洞,可用于测量水滴和气流之间的相互作用:风洞伊萨卡康奈尔大学,纽约,美国(Ayyalasomayajula et al . 2006;看到et al . 2008年提交)和马克斯普朗克研究所的隧道动态和自组织在哥廷根,德国。两个隧道的一个关键方面是能够达到大雷诺数湍流,这是必要的,当考虑湍流等地球物理流动的云。康奈尔风洞的截面1 m x 0.9米,长度为20米,气流由一个活跃的网格(三角搅拌器翅膀上随机旋转网格酒吧)。它能够产生湍流雷诺数从大约104年到106年。广泛的液滴大小分布,平均直径大约20便士。米,是由四个喷雾喷嘴的数组。哥廷根风洞,目前正聚集在新建实验大厅,预计将在2008年年中操作,旨在达到大约108的雷诺数,最高的雷诺数有没有达到标准(即。流,non-superfluid)实验室。隧道是12米长,管子直径是1.8米。气体加压是空气密度的150倍。隧道设计调查粒子/ droplet-turbulence交互和允许拉格朗日测量(即由高速摄像机跟踪粒子/水滴沿着一侧的隧道流平均速度)。
华沙大学云室
调查在华沙大学动荡和云滴之间的相互作用,一个玻璃盒1.0 x 1.0 x 1.0(马林诺斯基et al . 1998;Korczyk et al . 2006年)。液滴生成的一个商业超声波加湿器可视化在垂直或水平截面通过商会内部通过激光束形成一条狭窄的形状(~ 1.2毫米厚)飞机。照亮的光分散液滴在90°是检测到的照片和视频,或者最近,通过CCD摄像机和数码图像滴模式。室还没有完全控制条件,而是监控。云滴大小谱测量如下:收集水滴在玻璃板(石蜡油)覆盖着一层薄膜,随后通过显微镜成像。图像处理来确定液滴大小和数量(即。,液滴大小分布)。多云的羽流的水含量与棉花测量过滤器:过滤器的质量的增加后泵给定体积浑浊的空气通过它让水含量的测量。温度和湿度室中的概要文件监控使用一组热电偶和电容传感器。
实验用这个室几何图案由湍流混合的云环境和优惠的云滴浓度在弱湍流。目前,粒子成像测速技术(PIV)技术用于检索云滴的运动,详细状况调查精准度的湍流混合云环境。
密西根科技大学云室
为研究拉格朗日属性云滴的动荡,密西根科技大学实验室系统已经开发在霍顿,MI,美国(赋格曲的et al . 2007年)。商会是一个立方体,speaker-driven飞机定位在每个顶点。飞机是随机强迫和互动在立方体的中心,以产生近似均匀各向同性湍流。预定大小的水滴被允许进入房间,之后实现了终端速度在播种缸下降。中央体积内的水滴的位置是由数字化重建直列式全息图记录的快速CMOS相机。可以记录全息图的利率高达6000帧每秒,允许粒子在实时跟踪。初步结果显示明显过渡之间的引力和turbulence-dominated拉格朗日速度和加速度数据。大云滴和小细雨滴,数倍的速度大于终端速度和加速度的十倍重力加速度和湍流强度增加观察。
设备允许几乎全面的云模拟
最后一批设备,我们解决问题的模拟进行了接近真实云的规模。两个devices-one现有的和一个目前正在讨论将被提出,这两个功能前矿井云模拟器。在讨论这类设备的细节之前,让我们考虑这种巨大的云背后的基本原理模拟器。轴允许云过程的模拟,包括上升气流包裹的绝热膨胀,相当现实的长度尺度和居留时间与水文气象在各自的终端速度。抽样条件也相对容易。控制轴内的热力学参数,然而,低于通常的实验室实验。云层中产生垂直轴被认为允许调查云中心的研究主题,如气溶胶粒子的角色、湍流、电气和温度对云历史和影响降水的形成。他们也允许复杂的行为实验气溶胶(如生物质燃烧,燃烧气溶胶)在云,冰粒子的相互作用的模拟过冷云环境(认为导致电荷分离和闪电),和云条件下化学过程的调查接近在一个真正的云。
此外,垂直轴云展览比可以实现更高的雷诺数实验(但仍不是高达开放大气中),因此允许更好的实验数据来解决问题的微尺度湍流(~毫米厘米长度尺度)可能会影响云凝结和collision-coalescence或聚合等过程。其他可能的研究主题包括云辐射传输和遥感。
两个设备轴的一代云(一)人造云实验系统(ace)(例如,山形et al . 1998年,2004年),由札幌北海道大学的日本,和(b)云物理设施在南达科他州(霍姆斯塔克DUSEL), j . Helsdon.1提出的根据我们的了解,目前ace遭受缺乏财政支持和云物理设施DUSEL一直推迟。
设备由北海道大学功能面积2.5 m x 5米和一个垂直的长度430米。上升气流速度可以变化范围介于0.5和2 m s - 1,底部和温度范围从13.5到10.5轴的顶部。
j . Helsdon建议的设施会有面积3 - 5米x 3 - 5米,垂直的长度约1公里,一个活跃的网格湍流发生器,下面的原位测量,中期,和云顶属性。
一个突出的问题是轴云允许精确的调整和控制的重要参数(如温度、饱和流速、紊流强度,和耗散率)允许设想获得知识和理解。此外,资金创建和操作这种巨大的设备可能是一个重要的约束。
未来的研究和设备
在未来,我们设想,实验室云研究将处理过程,发生在温暖、混合相位和卷云。这些包括:
1http://neutrino.lbl.gov/Homestake/FebWS/presentations/08_Helsdon%20DUSEL%20Home-% 20 l0i.pdf股份
•吸湿增长和激活,
•住宿系数水蒸气的液体水和冰,
•气溶胶的影响主要冰形成云,
•aerosol-based参数化冰云的形成,
•二次冻结成冰或冰乘法,
•生成和特征用于实验室的粒子云的模拟,
•具体云droplet-turbulence互动,
•结合湍流和多尺度微观物理学。
吸湿增长和激活
仍然是一个需要理解和量化的影响略可溶性物质,non-ideality滴解决方案,和分区之间的表面活性物质粒子体积和粒子表面,高RH吸湿增长和激活。这适用于粒子组成选择单一的有机成分和颗粒,由内部可溶性的混合物,稍微可溶性和不溶性无机和有机物质。关闭研究关于颗粒吸湿增长和激活行为和派生参数一致的描述粒子的吸湿增长和激活是重要的主题。
可能影响的有机(表面活性的)吸湿动力学上的物质增长和激活另一个未解决的,也许是关键,问题需要未来的关注。这是因为科勒的应用理论建模和参数化吸湿增长和激活意味着液滴与周围环境(即处于平衡状态。增长动力效应影响液滴被忽视)。如果这种假设是不合理的,科勒理论的使用可能会导致错误的预测的粒子/液滴大小和临界过饱和。
可溶性气体(即的影响。,他们吸收到粒子或液滴和影响颗粒吸湿增长和激活),必须考虑。粒子的影响衰老和吸湿增长(云)处理和激活行为也极大的兴趣。
特殊的价值在这种情况下是在RHs执行测量> 95%,过度饱和ca。0.5%。在这种背景下,仪器如H-TDMA,方网眼花边,教育局,CCN柜台一直并将继续是有用的工具。
调节系数的水蒸气液体水和冰
的水蒸气对液态水的调节系数,需要新的实验的想法。调节系数可能是一个函数的热力学条件(温度、压力、过度饱和),液滴的大小,或液滴表面水汽通量。因此,实验条件下像那些真正的云(包括真正的云时间尺度)是必需的。
我们的知识还不够水分子的调节系数对冰粒子,特别是在现实的大气条件下。这主要是困难的条件下的结果,这些实验必须进行。当配备合适的探测器测量冰粒子大小或质量(甚至更好),设备(如方网眼花边,阿依达,CFDC,锌,芬奇可以用来确定冰粒子的增长速度和获得住宿系数。然而,这些测量需要使用数值模型来评估和解释结果数据。
气溶胶对主要形成冰云的影响
目前,对特定粒子属性的影响(如大小、化学成分或表面结构)对冰异相成核。我们缺乏基本的认识过程和因素以及实验验证的理论工具用来量化异构冰的形成过程。的冷冻实验,尤其关注内部混合粒子组成的不溶性的核和有机和/或无机涂料需要识别和量化控制流程和参数。实验室调查应该利用可用的或新的云模拟设施以及冰nucle-ation仪器用复杂的方法来生成和描述相关的气溶胶粒子。特别是,颗粒大小的角色,表面积和表面结构和组成(如表面活性剂网站)需要调查。阿依达,方网眼花边、CFDC锌,和雀一直并将继续是有用的。在设计实验,条件应该类似于混合相位的云,这样可以获得洞察力,例如,在不同的冻结机制的相对重要性。
Aerosol-based云成冰作用的参数化
详细了解aerosol-induced冰成核过程及其数值实现的先决条件的可靠预测云、降水、和气候变化。raybet雷竞技最新齐次冻结的气溶胶粒子可以参数化数值模型作为温度的函数,冷却速率和气溶胶参数。相比之下,aerosol-related异构冰成核过程的参数化更难以评估。大多数模型仍只描述大量的异构是温度和湿度的函数。新概念只有最近建议考虑具体的气溶胶属性冰异质成核的参数化模型。这些需要评估应用程序变量云条件下和有关对流层气溶胶系统。云仿真实验比较结果从实验室需要测试和改进现有参数化,或者开发新的,因为很难限制云粒子物理学的公式模型来实地测量。
二次冻结成冰或冰乘法(分裂)
从存在误伤实验和云的建模研究,我们知道二次冰乘法,如现有冰晶的分裂或所谓Hallett-Mossop效应,在云计算发展的重要因素和起始和降水强度分布。迄今为止,只有少数实验室调查已进行二次冰的形成,因此还需要进一步的实验来调查和量化,如果可能相关的冰晶体形状和大小和模拟云条件下。这些实验可以进行单个水滴和冰晶在教育局设置或云仿真室。
曼彻斯特大学的建立了一个新的冰云室设施适合这样的实验。设备由三大冷房间安排上相互垂直上方的三层建筑。这些都是加入了下降管(直径1米和10米)的高度,冰云属性和,特别是,晶体生长可以研究在时间尺度比小室有可能更长。温度在寒冷的房间可以控制到-50°C,和这三个房间都可以单独控制。这些新设施将使以前的工作在冰粒子成核,淞化,电荷转移和交互与冰粒子的辐射继续和扩大到包括新领域,如二次冰形成和晶体生长。
生成和特征用于实验室的粒子云模拟
可靠的生成和充分的描述粒子用于实验室的云模拟已经在实验室云计算研究的重要问题。除了粒子的识别旨在提高我们理解粒子吸湿增长和激活的行为,我们必须确保粒子是找到适合不同的机制参与的调查和量化成冰作用。两种类型的调查暗示生成和表征多相(例如,不溶性的核心和液体地幔),多组分颗粒,定义良好的大小和化学成分。此外,冰形成调查需要定义良好和粒子的表面特征。
另一个有趣的话题包括粒子/滴。电荷粒子或液滴可能影响微观物理学的过程,如激活,冰成核、液滴和冰粒子的增长。然而,粒子的生成和特征/液滴比一个千分尺定义明确的收费水平,在需要时当调查费影响微观物理学的进程,还带来一个严重的问题。
上面的要求只能满足如果粒子生成与表征技术都显著提高。最需要的是领域的生成和描述粒子表面性质。
特定的云Droplet-Turbulence交互
调查云droplet-turbulence交互(例如,夹带,turbulence-influenced收缩和碰撞引起的增长,和空间和拉格朗日粒子的属性在湍流)是不完整的,然而,有一种强烈的控制实验需要隔离并量化的机制。存在一些挑战,包括实验装置的发展,可以匹配所有相关的无量纲参数管理过程考虑。例如,当考虑惯性粒子的拉格朗日属性在动荡,需要匹配的粒子惯性(斯托克斯数)以及粒子沉降(沉降参数和弗劳德数)。许多实验室系统倾向于产生湍流能量耗散率高于中存在典型的云,这使得重叠使用正确的参数范围的挑战。更复杂的问题是很难实现大,地球物理雷诺数在实验室系统:任何过程敏感间歇性将受到约束,只有非常大的系统,比如哥廷根风洞或前面描述的大型矿井,可以预计方法的雷诺数存在,例如,在一个积雨云。
结合湍流和多尺度微观物理学
上面讨论的主题和实验解决调查、模拟和量化的单身云微物理和动荡的过程。虽然我们云过程的整体理解至关重要,他们只能在这一过程中被视为一个初始步骤。一个关键的主题,已经产生激烈辩论的问题真正控制云属性的问题如液滴数量和规模,一生和降水的行为。这个问题的一个方面是齐次与非齐次混合的问题。初以来实验室实验最初导致这些想法在1980年代的发展,基本上没有专门的实验室研究这一重要问题。这说明我们面临一个挑战,在许多问题上涉及大规模动荡:因为夹带和本质上是多尺度混合过程,很难实现如此大范围的空间和时间尺度在典型的实验室型。
为了回答甚至解决这些问题,没有上述设备和技术似乎是完全合适的。因此我们建议的实验设计和执行,使控制和定义良好的微观物理学的和湍流参数的调整。只有这种方式才能可能的交互和反馈之间的微观物理学的(激活、增长、冷冻)和云内湍流运输过程模拟和量化。设备,如小规模扩张室和风洞,或者一个组合,可能是适用的。
结论
在这一章,我们讨论了云的模拟在实验室和专注于云相关的主题和效果已经或可能在实验室研究调查。主题等气溶胶粒子吸湿增长和激活,液滴动态增长,冰成核和液滴冻结,和droplet-turbulence交互提出了一系列有关云的设备用于实验室调查和模拟过程进行了讨论。因为云物理过程及其模拟涉及不同的尺度,我们分类云/模拟设备调查(a)的设备测量选择粒子和云滴属性,(b)设备,允许过程研究在模拟云条件下,和(c)设备,允许几乎全面的云模拟。然而,我们强调,目前,在可预见的未来很可能在不久的,不存在设备能够模拟一个“真正的”云,与所有相关的流程和复杂性。
未来,我们建议继续调查和/或启动地址(a)颗粒吸湿增长和激活,(b)的调节系数水蒸气在液体水和冰,(c)气溶胶的影响主要冰形成云,云冰形成的(d) aerosol-based参数化,二次冻结成冰或冰乘法,(e)的生产和表征粒子适合云仿真实验,和(f)动荡和粒子物理学的结合。我们认为后者是特别重要的模拟和量化的可能微观物理学的之间的交互和反馈(激活、增长、冷冻)和云内湍流运输过程。
确认
我们承认,在字母顺序,Karoline发的非常有用的贡献(德国美因茨大学),靖Fujiyoshi(低温科学研究所、北海道大学、札幌、日本),约翰Helsdon(南达科他矿业学院&技术,快速的城市,南达科塔州,美国),Szymon马林诺斯基(波兰华沙大学),东村上(气象研究所、筑波、日本)和Zellman Warhaft(美国纽约伊萨卡的康奈尔大学)。
引用
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