nieve a temperaturas por encima de las heladas

¿alguna vez se preguntó cómo puede nevar a temperaturas por encima de las heladas? Bueno, la explicación ingenua es que simplemente toma tiempo para que los copos de nieve se derritan una vez que penetran por encima del aire helado, a medida que descienden hacia el suelo. Esta, por supuesto, es la razón por la que el granizo puede caer en un clima cálido. Simplemente, las piedras de granizo caen rápido, demasiado rápido para dejar que el aire caliente derrita el granizo. Sin embargo, esta no es la explicación principal de por qué puede nevar cuando está por encima del punto de congelación.,
de la figura a continuación, es evidente que hay una clara dependencia de la humedad: cuanto más seco esté, más cálido puede estar mientras nieva. Esto implica que el factor principal, al menos en condiciones secas, tiene que ver con la humedad. Y este factor es la evaporación. Más específicamente, a medida que los copos de nieve descienden, se evaporan. Este proceso toma calor y mantiene las escamas frías.
Por lo tanto, si queremos calcular la temperatura máxima, necesitamos estimar el balance de calor neto de la escama. Primero, a medida que los copos viajan en un ambiente cálido, ganan calor del entorno a través de la conducción., En segundo lugar, el calor se utiliza para evaporar las escamas, enfriándolas. Si el «disipador» de calor de evaporación es más grande que la conducción de calor, las escamas permanecerán congeladas. resulta que esto se puede calcular fácilmente. No, No es fácil calcular la conducción de calor o el calor de evaporación, pero la relación es, ya que varios factores geométricos desconocidos se cancelan. si no te importa el cálculo (porque no eres un fanático de la ciencia), simplemente puedes visitar la página de la calculadora.si te importa, aquí está la derivación., Supongamos que el flujo alrededor de las escamas es tal que se forma una capa límite de ancho d alrededor de ella. El total de flujo de calor $F_H$ a el copo (por ejemplo, J/sec en MKS) estará dado por la transformada de Fourier de la ley:

donde $\kappa$ es el calor el coeficiente de difusión de aire (por ejemplo, m2/seg en MKS), c es la capacidad calorífica del aire (J/kg en MKS), Una es el área de la superficie de la capa límite alrededor de los copos, mientras que DT es la diferencia de temperatura entre la escama y el medio ambiente., del mismo modo, se puede usar la Ley de Fick para obtener la difusión del vapor de agua desde la escama (donde la temperatura está cerca de congelarse, y la humedad relativa es del 100%), al ambiente circundante, donde la temperatura es más alta y la humedad relativa más baja:

\\phi_w\approx D A {\Delta \rho_w \ over d}. aquí, D es el coeficiente de difusión del agua (por ejemplo, m2/seg en MKS) y ρ es la densidad del vapor de agua (kg/m3 en MKS).,
el hielo evaporante requiere calor, por lo tanto, si hay un flujo de masa de vapor de agua de Φ de la escama, requeriría calor a una velocidad de F F_w = \epsilon \Phi where donde $\epsilon is es el calor de vaporización de hielo (J/kg en MKS).
La temperatura más alta por encima de la cual el copo de nieve se derrite, es la temperatura para la cual los dos flujos de calor son iguales:

f f_w = F_H ~~\rightarrow ~~ \Epsilon D \Delta {\rho_w \over d} a = {\Kappa A \over c} {\Delta T_{Max} \over d}.note

tenga en cuenta que la geometría del flujo alrededor de la escama se cancela, porque ambos flujos de calor dependen de D y a de la misma manera., Este sería el caso también si la capa límite alrededor de la escama es compleja tal que d realmente depende de la dirección. Por lo tanto,

\\Delta T_{max} = c \Epsilon {d \over \Kappa} \Delta \Rho = C \Epsilon {d \over \Kappa} \Delta (\rho_{SAT} RH).where

donde $ \ rho_ {SAT} is es la densidad del vapor de agua de saturación.conectando los números (que se pueden encontrar por ejemplo en el CRC handbook of chemistry and physics), resulta con una ecuación implícita para la temperaturebecause la densidad del vapor de agua de saturación depende de la temperatura también., Podemos simplificar las cosas si en su lugar preguntamos cuál es la humedad relativa requerida para mantener la escama congelada a una temperatura dada. Es:

r RH = 9.5 \exp \left (- 17.27 t_c \over t_c + 238.3^\circ \right) \left (10.5^\circ\mathrm{C} – T_C\right) \% .$ $

donde $ t_c is es la temperatura en grados Celsius.
esta función se puede ver en la siguiente figura, junto con los datos de Matsuo y Sasyo, 1981. Como se puede ver en la figura, el gráfico calculado es aproximadamente el límite inferior por debajo del cual no hay lluvia en absoluto. A temperaturas más cálidas, hay una mezcla., Hasta aproximadamente 1 ° C Por encima de la línea de no fusión, hay principalmente nieve, mientras que entre aproximadamente 1°C y 2°C Por encima de la línea, es principalmente lluvia, pero la nieve es posible. Estos eventos podrían deberse a efectos adicionales, como fuertes corrientes descendentes, el tiempo que tarda en derretirse la nieve, etc.

¿nieve o lluvia? La línea roja es la línea de no fusión. Debajo de él, los copos de nieve se enfrían por evaporación más de lo que se calientan del medio ambiente, manteniéndose así congelados. Las líneas magneta y azul son +1 ° C y + 2°C Por encima de las líneas sin fusión., Entre 0 ° C y +1°C Por encima de la línea de no fusión, en su mayoría nieva, mientras que en su mayoría llueve entre +1°C y +2°C Por encima de la línea de no fusión. A temperaturas más cálidas, llueve. Los puntos de datos verdes son eventos recogidos por Matsuo y Sasyo (1981) en Wajima Japón, entre 1975 y 1978.

por lo tanto, si queremos observar nieve de clima cálido, se requieren condiciones muy secas. Por ejemplo, si la humedad del suelo es solo alrededor del 20% (muy raro, porque si hay precipitación, la atmósfera es generalmente húmeda!) entonces podría nevar a 8 ° C (o 46°F para los usuarios ingleses).,
otro requisito es que en ninguna parte a lo largo del descenso el aire supera la línea de fusión no. Si lo hace, la escama por supuesto se derretirá.
Si la temperatura se eleva por encima de la congelación, no hay parámetros con los que se pueda determinar el tipo de precipitación para la certeza. Todo lo que podemos predecir es la probabilidad de que caiga nieve. Esto se puede hacer utilizando los resultados de Häggmark e Ivarsson (1997), solo corregidos para usar la temperatura del bulbo congelado y no la temperatura del bulbo húmedo. la línea de fondo es una calculadora con la que se puede estimar la probabilidad de nieve.,

¿cómo se relaciona con la temperatura de bulbo húmedo? La relación entre la temperatura que encontramos y la temperatura de congelación del agua es muy similar a la relación entre las temperaturas de bulbo seco y bulbo de la banda (donde esta última es la temperatura reducida que un termómetro húmedo leerá debido a la evaporación del agua). La principal diferencia es que la temperatura de bulbo húmedo incluye la evaporación del agua, mientras que en nuestro caso, es la evaporación del hielo, con un 15% más de pérdida de energía. Por lo tanto, buscamos esencialmente la temperatura de bulbo seco para la cual la temperatura de bulbo «congelado» es 0°C.