മഴ പെയ്യുന്നതെങ്ങിനെ ?

എങ്ങിനെയാണ് മേഘങ്ങൾ ഉണ്ടാവുന്നതും മഴ പെയ്യുന്നതും ?

ഈ ചോദ്യം പണ്ടുമുതലേ കേട്ടിട്ടുണ്ട്. കാര്യവും ഏതാണ്ടൊക്കെ നമുക്കെല്ലാവർക്കും അറിയാവുന്നതു തന്നെ. കുറച്ചുകൂടി സാങ്കേതികമായി ഈ വിഷയത്തെ പരിഗണിക്കാം.
Temperature അനുസരിച്ച് air നു water vapour hold ചെയ്യാനുള്ള capacity യിൽ വ്യത്യാസം വരുമെന്ന് നേരത്തെ സൂചിപ്പിച്ചിരുന്നല്ലോ (see section Static stability). അതിനാൽ മുകളിലേക്ക് പോകുന്ന air parcel cool ചെയ്യുമ്പോൾ saturation സംഭവിക്കുന്നു. വീണ്ടും parcel മുകളിലേക്ക് പോയാൽ supersaturation ആവുകയും അധികം ഉള്ള water vapour നു condensation സംഭവിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. അതായത് liquid water അല്ലെങ്കിൽ ice particle form ചെയ്യുന്നു. ഇങ്ങനെ അനേകം വളരെ ചെറിയ liquid droplets/ice particles  ഉണ്ടാകുന്നു. ഇവയാണ് ഏതൊരു cloud ന്റെയും building blocks !! Liquid droplet ആണോ ice particle ആണോ form ചെയ്യുന്നത് എന്നത് അവിടുത്തെ temperature നെ depend ചെയ്തിരിക്കും. സംഗതി നടക്കുന്നത് zero degree isotherm നു താഴെ ആണെങ്കിൽ (ചിത്രം ശ്രദ്ധിക്കുക) അവിടെ liquid droplet മാത്രമേ കാണൂ. ഇനി zero degree isotherm നു മുകളിലാണെങ്കിൽ അവിടെ ice ഉം ഉണ്ടാകാൻ സാധ്യതയുണ്ട്. സാധ്യത മാത്രമേ ഉള്ളൂ ? Zero degree ക്കു താഴെ liquid exist ചെയ്യില്ലല്ലോ, അപ്പോൾ അവിടെ ice മാത്രമെല്ലെ ഉണ്ടാകൂ ? എന്നാൽ zero degree ക്ക് താഴെയും water നു liquid form ൽ exist ചെയ്യാം. ഈ അവസ്ഥയാണ് supercooled state of water. ഇങ്ങനെ ഏതാണ്ട് -35 ഡിഗ്രി Celsius വരെയൊക്കെ exist ചെയ്യുന്നതായി സ്ഥിതീകരിച്ചിട്ടുണ്ട്‌. അതുകൊണ്ട് cloud, zero degree isotherm നു മുകളിൽ ആണെങ്കിലും അവിടെയും liquid state ൽ water ഉണ്ടാകാം.

cold_warm

Zero degree isothermനു താഴെയുള്ള ഒരു cumulus cloud ഉം cloud top, zero degree isotherm നു മുകളിൽ ഉള്ള ഒരു cumulonimbus cloud ഉം

 

Clouds ന്റെ building blocks ഫോം ചെയ്യുന്ന കാര്യം പറഞ്ഞല്ലോ (ie, formation of small water droplet). ഇതിനെ nucleation എന്ന് വിളിക്കുന്നു. അതായത് കുറെയധികം water molecule കൂടി ചേർന്ന്, ഒരു water droplet ഉണ്ടാകുന്ന അവസ്ഥ. പക്ഷെ ഇങ്ങനെ water molecules തമ്മിൽ collide ചെയ്തു ഒരു water droplet ഉണ്ടാകണമെങ്കിൽ supersaturation വളരെ കൂടുതൽ ആയിരിക്കണം. എന്നാൽ ഇത്ര വലിയ supersaturation നമ്മുടെ atmosphere ൽ സാധാരണ സംഭവിക്കാറില്ല. അപ്പോൾ ഈ ചെറിയ water droplets എങ്ങിനെ ഉണ്ടാകും ? അവിടെയാണ് aerosol ന്റെ പ്രസക്തി. ഈ അനേകായിരം water molecule ന്റെ കൂടെ കുറച്ചു aerosol കൂടി ഉണ്ടെങ്കിൽ കാര്യങ്ങൾ എളുപ്പമായി. നേരത്തെ കുറെ water molecule ചേർന്ന് ഒരു water droplet ഉണ്ടാവുകയായിരുന്നു എങ്കിൽ (homogeneous nucleation) ഇവിടെ ഒരു aerosol (cloud condensation nuclei ) ൽ water molecules attach ചെയ്ത് ഒരു water droplet ഉണ്ടാകുന്നു. ഇതിനെ heterogeneous nucleation എന്ന് വിളിക്കുന്നു.

 

ഇങ്ങനെ ഉണ്ടായ ഓരോ ചെറിയ water droplets ഉം കൂടി ചേർന്ന് ഒരു വലിയ cloud drop ഉണ്ടാകുന്നു. ഇതാണ് condensational growth. പക്ഷെ ഈ condensational growth ന്റെ mathematical theory നോക്കുമ്പോഴാണ് നമുക്ക് ഒരുകാര്യം മനസ്സിലാവുന്നത്, growth rate, drop ന്റെ radius കൂടുന്നത് അനുസരിച്ച് കുറയുന്നു (ie, dr/dt is inversely proportional to radius). ഒരു ലളിതമായ ഉദാഹരണം പറയാം. ഒരു വലിയ ലഡ്ഡു ഉണ്ടാക്കുന്നത്‌ സങ്കൽപ്പിക്കുക. കുറെ ചെറിയ granules ചേർന്നാണല്ലോ ഒരു ലഡ്ഡു ഉണ്ടാവുന്നത് (like a large cloud drop is forming from small droplets). ഇനി നമ്മൾ ഈ granules ഒക്കെ കൂട്ടിചേർത്ത് ലഡ്ഡു ഉണ്ടാക്കാൻ പോകുന്നു. ആദ്യമൊക്കെ കിട്ടുന്നതത്രെയും വാരിക്കൂട്ടി ഉരുട്ടിയെടുക്കും. പക്ഷെ പിന്നീട് ലഡ്ഡു വലുതാകും തോറും പഴയ വേഗതയിൽ ഉരുട്ടി എടുക്കാൻ കഴിയാതെ വരും. അതായത് ലഡ്ഡു വലുതാകും തോറും rate of growth കുറയും എന്നർത്ഥം. ഇതുതന്നെയാണ് condensational growth ന്റെ കാര്യത്തിലും സംഭവിക്കുന്നത്‌. ഒരു ചെറിയ cloud drop വളരെ വേഗത്തിൽ ഉണ്ടാകുന്നു (ഒരു ചെറിയ ലഡ്ഡു വളരെ വേഗത്തിൽ ഉരുട്ടിയെടുക്കാൻ കഴിയുമല്ലോ, അതുപോലെ). പക്ഷെ മഴ പെയ്യിക്കാൻ വിധം വലിയ drop ഉണ്ടായി വരാൻ ഏറെ നേരം കാത്തിരിക്കണം (few hours !!!). പക്ഷെ പലപ്പോഴും 30-40 മിനുട്ടിനുള്ളിൽ തന്നെ ഒരു cloud develop ചെയ്ത് മഴപെയ്യുന്നത് നാം കണ്ടിട്ടുണ്ട്. അതായത് ഇങ്ങനെ മണിക്കൂറു കണക്കിന് കാത്തിരിക്കേണ്ട ആവശ്യമില്ല, വേറെ എന്തോ സംഗതി നടക്കുന്നുണ്ട് എന്ന് ചുരുക്കം. അതെന്താവും ആ സംഗതി ???

​​

ഇനി ഒരു കാര്യം ശ്രദ്ധിക്കാം. ഇങ്ങനെ condensation വഴി വലുതായ ഒരു droplet ന് കൂട്ടത്തിൽ mass കൂടുതൽ ആയിരിക്കുമല്ലോ ? അതുകൊണ്ടുതന്നെ  കൂടുതൽ velocity യിൽ താഴേക്കു വരുമല്ലോ. ഇങ്ങനെ വരുന്ന വഴിയിൽ അനേകം ചെറിയ droplets ഉണ്ടാകും. എന്ത് സംഭവിക്കും ? തീർച്ചയായും തമ്മിൽ കൂട്ടിയിടിക്കും. അങ്ങിനെ അവ join ചെയ്യാനും സാധ്യതയുണ്ട്. ഇതാണ് collision and coalescence process.

coll_coal

മറ്റൊരു ശ്രദ്ധേയമായ വസ്തുത, ഈ collision and coalescence process ന്റെ growth rate, drop ന്റെ radius കൂടുന്നത് അനുസരിച്ച് കൂടും. അതുകൊണ്ട് condensation വഴി ഒരു പ്രത്യേക radius ൽ  എത്തുന്ന drop പിന്നീട് collision and coalescence process വഴി വലുതാകുന്നു. അങ്ങിനെ ഒരു rain drop ആയി താഴേക്കു വീഴുന്നു !!! താഴെ ചേർത്തിരിക്കുന്നചിത്രം ശ്രദ്ധിക്കൂ..

growth

Rate of growth in condensation process vs collision coalescence process. 

Blue curve represents condensational growth and red curve represents growth by collision and coalescence process. Intial rapid growth നു ശേഷം വഴിയുള്ള growth rate ഏതാണ്ട് steady ആവുന്നു. പക്ഷെ ഒരു പ്രത്യേക radius എത്തുന്നതോടെ collision coalescence process വഴി cloud drop വളരെ വേഗത്തിൽ വലുതാവുന്നത് കാണാം.

 

മുകളിൽ സൂചിപ്പിച്ചത് liquid droplet മാത്രം ഉള്ള cloud ന്റെ കാര്യമാണ്. അതായത് zero degree isotherm നു താഴെ യുള്ള cloud ന്റെ കാര്യം. ഇവയെ ആണ് warm clouds എന്ന് പറയുന്നത്. അപ്പോൾ, zero degree isotherm നു മുകളിൽ പോകുന്ന clouds നെ എന്തു വിളിക്കും ? Cold clouds !! പക്ഷെ cold clouds കാര്യങ്ങൾ അല്പം വ്യത്യാസമുണ്ട്. നോക്കാം…

നേരത്തേ, zero degree Celsius നു താഴെയും water, liquid form ൽ exist ചെയ്യുമെന്നും അവയെ supercooled water എന്ന് വിളിക്കുന്നു എന്നും സൂചിപ്പിച്ചിരുന്നുവല്ലോ. അതിനാൽ cold clouds ൽ supercooled water ഉം ice particles ഉം ആണ് ഉണ്ടാവുക. ഇവിടെയും നേരത്തെ സൂചിപ്പിച്ചതുപോലെ homogeneous nucleation ഉം heterogeneous nucleation ഉം ഉണ്ട്. എങ്കിലും aerosol ന്റെ സഹായത്തോടെ (ice nuclei) heterogeneous nucleation നടന്നാണ് സാധാരണ ഒരു ചെറിയ ice droplet ഉണ്ടാവുന്നത്. ഇനി ഏതെങ്കിലും രീതിയിൽ ഈ ചെറിയ ice drop വലുതായി ഒരു വലിയ cloud droplet ആയിമാറണം. അത് എങ്ങിനെയെന്ന് നോക്കാം.

നമുക്കിവിടെ, ice crystal ഉം കുറച്ചു supercooled water ഉം ആണല്ലോ ഉള്ളത്. അതായത് ഒരു mixed state. ഇനി താഴെ കൊടുത്തിരിക്കുന്ന ചിത്രം ശ്രദ്ധിക്കുക.

berg

Supercooled water drop നെ surround ചെയ്തിരിക്കുന്ന air ൽ കുറച്ചു water vapour ഉണ്ടാകുമല്ലോ. പക്ഷെ അതിനടുത്തുള്ള ice crystal നെ സംബന്ധിച്ച് ഈ water vapour highly supersaturated ആണ്. അതിനാൽ ഈ water vapour ഉടനെ ice crystal ലേക്ക് direct deposit ചെയ്യപ്പെടുന്നു. (vapour state ൽ നിന്ന് നേരെ solid state ലേക്ക് വരുന്നതിനെ deposition എന്ന് പറയുന്നു). അതായത് supercooled water drop നു ചുറ്റും ഉണ്ടായിരുന്ന കുറച്ചു water vapour use ചെയ്ത് ice വലുതായി. പക്ഷെ, ഇങ്ങനെ surroundings ൽ നിന്നും water vapour നഷ്ടപ്പെട്ടതുകൊണ്ട് ഈ supercooled water drop ൽ നിന്ന് കുറച്ചു evaporate ചെയ്യും (to maintain the initial vapour pressure). അപ്പോൾ വീണ്ടും പഴയ സ്ഥിതി ആയി. Highly saturated ആയ water vapour, ice crystal നു ചുറ്റും വരുന്നു. ഇത് പഴയതുപോലെ ഉടനെ ice crystal ലേക്ക് direct deposit ചെയ്യപ്പെടുന്നു. വീണ്ടും supercooled water drop ൽ നിന്ന് കുറച്ചു evaporate ചെയ്യുന്നു. വീണ്ടും deposition നടക്കുന്നു… അങ്ങിനെ പതുക്കെ supercooled water drops കുറഞ്ഞു വരുകയും ice crystal വലുതായി വരുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇതാണ് Bergeron process, which is similar to condensation process in warm clouds.

ഇങ്ങനെ വലുതാകുന്ന ice crystal താഴേക്കു വീഴുമല്ലോ. ഇങ്ങനെ വീഴുന്നത് ഈ supercooled water drop ന്റെ ഇടയിലൂടെയും. അപ്പോൾ കുറച്ചു water drops ഈ ice crystal നോട് ചേർന്ന് solidify ചെയ്ത് ice വലുതാവുന്നതിനെ riming or accretion എന്ന് പറയുന്നു. ഇനി സംഭവിക്കാൻ സാധ്യതയുള്ള മറ്റൊന്ന്, രണ്ടു ice crystals കൂട്ടിയിടിച്ച് ഒരു വലിയ crystal ആവാം. ഇതാണ് aggregation.

അതായത് ആദ്യം form ചെയ്യുന്ന ഒരു ചെറിയ ice crystal, Bergeron process, riming, aggregation എന്നീ ഘട്ടങ്ങളിലൂടെ കടന്ന് ഒരു വലുതായി താഴേക്കു വീഴുന്നു (solid precipitation).

Warm cloud ലും cold cloud ലും എങ്ങിനെയാണ് Water vapour പല process നിടയിലൂടെ കടന്ന് precipitation ആവുന്നത് എന്ന് കണ്ടുവല്ലോ. സംഗതിയുടെ complexity യും ഏതാണ്ട് മനസ്സിലായിക്കാണും. മുകളിൽ വിവരിച്ചിരിക്കുന്നത്, കഴിയാവുന്നത്ര ലളിതമായിട്ടാണ്‌ (not much technical). Cloud microphysics എന്നത് വളരെ specialised ഫീൽഡ് ആണ്. അതുകൊണ്ടുതന്നെ മുഴുവൻ കാര്യങ്ങളും പറയുക എന്നത് ഈ ബ്ലോഗിന്റെ പരിധിക്കപ്പുറമാണ്. കൂടുതൽ അറിയാൻ ആഗ്രഹമുള്ളവർ Wallace and Hobbs ന്റെ പുസ്തകമോ Chandrasekar sir ന്റെ പുസ്തകമോ വായിക്കുക. കൂടുതൽ മനസ്സിലാക്കുന്നതിനു ഈ outline പ്രയോജനപ്പെടും എന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു.

 

Further reading:

  • Atmospheric Science: An Introductory Survey, John M Wallace and Peter V Hobbs

  • Basics of Atmospheric Science, A Chandrasekar

  • A Short Course on Cloud Physics, Rogers and Yau

 

 

 

Advertisements

8 thoughts on “മഴ പെയ്യുന്നതെങ്ങിനെ ?

    1. കാര്യമായിട്ടാണോ, അതോ തമാശക്ക് പറഞ്ഞതാണോ ? 🙂

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s