عملية فيجنر-بيرجيرون-فيندايزن

عملية فيجنر -بيرجيرون-فاينديزن (نسبةً إلى ألفريد فيجنر ، وتور بيرجيرون ، ووالتر فاينديزن )، أو "عملية المطر البارد"، هي عملية نمو بلورات الجليد التي تحدث في السحب المختلطة (التي تحتوي على مزيج من الماء فائق التبريد والجليد) في المناطق التي يقع فيها ضغط بخار الماء المحيط بين ضغط بخار الماء المشبع وضغط بخار الماء المشبع الأدنى فوق الجليد. تُعد هذه بيئة غير مشبعة للماء السائل، ولكنها بيئة مشبعة للجليد، مما يؤدي إلى تبخر سريع للماء السائل ونمو سريع لبلورات الجليد من خلال ترسب البخار . إذا كانت كثافة الجليد منخفضة مقارنةً بالماء السائل، فقد تنمو بلورات الجليد لتصبح كبيرة بما يكفي لتسقط من السحابة، وتذوب لتشكل قطرات مطر إذا كانت درجات الحرارة في الطبقات السفلى دافئة بدرجة كافية.

إن عملية فيجنر-بيرجيرون-فاينديزن، إن حدثت أصلاً، فهي أكثر كفاءة في إنتاج الجسيمات الكبيرة من نمو القطرات الكبيرة على حساب القطرات الصغيرة، لأن الفرق في ضغط التشبع بين الماء السائل والجليد أكبر من زيادة ضغط التشبع على القطرات الصغيرة (بالنسبة للقطرات الكبيرة بما يكفي للمساهمة بشكل كبير في الكتلة الإجمالية). للاطلاع على عمليات أخرى تؤثر على حجم الجسيمات، انظر فيزياء المطر والسحب .

وضع العالم الألماني ألفريد فيجنر نظرية نمو الجليد من خلال ترسب البخار على بلورات الجليد على حساب الماء لأول مرة عام 1911 أثناء دراسته لتكوّن الصقيع . افترض فيجنر أنه إذا حدثت هذه العملية في السحب ونمت البلورات لتصبح كبيرة بما يكفي لتسقط، فقد تكون آليةً فعّالةً لهطول الأمطار. ورغم أن عمله على نمو بلورات الجليد قد حظي ببعض الاهتمام، إلا أنه استغرق عشر سنوات أخرى قبل أن يُعترف بتطبيقه على هطول الأمطار. ^{[ 1 ]}

في شتاء عام ١٩٢٢، لاحظ تور بيرجيرون ملاحظةً غريبةً أثناء سيره في الغابة. فقد لاحظ أنه في الأيام التي تنخفض فيها درجة الحرارة إلى ما دون الصفر، تتوقف طبقة السحب الطبقية التي تغطي عادةً سفوح التلال عند قمة الأشجار، بدلاً من أن تمتد إلى الأرض كما هو الحال في الأيام التي ترتفع فيها درجة الحرارة إلى ما فوق الصفر. وبمعرفته بأعمال فيجنر السابقة، افترض بيرجيرون أن بلورات الجليد على أغصان الأشجار تمتص بخار الماء من سحابة السحب الطبقية فائقة التبريد ، مما يمنعه من الوصول إلى الأرض.

في عام ١٩٣٣، اختير بيرجيرون لحضور اجتماع الاتحاد الدولي للجيوديسيا والجيوفيزياء في لشبونة، البرتغال، حيث قدم نظريته حول بلورات الجليد. في بحثه، ذكر أنه إذا كان عدد بلورات الجليد ضئيلاً مقارنةً بقطرات الماء السائل، فإن بلورات الجليد قد تنمو لتصبح كبيرة بما يكفي لتسقط (فرضية فيجنر الأصلية). افترض بيرجيرون أن هذه العملية قد تكون مسؤولة عن جميع الأمطار، حتى في المناخات الاستوائية، وهو ما أثار جدلاً واسعاً بين علماء المناطق الاستوائية ومناطق خطوط العرض المتوسطة. في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين، قام عالم الأرصاد الجوية الألماني والتر فينديزن بتوسيع وتطوير عمل بيرجيرون من خلال دراسات نظرية وتجريبية.

يعتمد شرط أن يكون عدد القطرات أكبر بكثير من عدد بلورات الجليد على نسبة نوى تكثيف السحب التي ستعمل لاحقًا (في طبقات أعلى من السحابة) كنوى جليد . أو بدلاً من ذلك، يجب أن يكون التيار الصاعد الأديباتي سريعًا بما يكفي ليؤدي التشبع الفائق العالي إلى التكوين التلقائي لعدد من القطرات يفوق بكثير عدد نوى تكثيف السحب الموجودة. في كلتا الحالتين، يجب أن يحدث هذا عند درجة حرارة قريبة من نقطة التجمد، لأن ذلك سيؤدي إلى التكوين المباشر للجليد. سيمنع نمو القطرات درجة الحرارة من الوصول سريعًا إلى نقطة التكوين السريع لبلورات الجليد .

يؤدي فرط التشبع الأكبر بالنسبة للجليد، بمجرد وجوده، إلى نموه بسرعة، وبالتالي امتصاص الماء من الطور البخاري. إذا كان ضغط البخار${\displaystyle p}$ينخفض ​​ضغط الماء السائل إلى ما دون ضغط التشبع${\displaystyle p_{w}}$ستتوقف القطرات عن النمو. قد لا يحدث هذا إذا${\displaystyle p_{w}}$ينخفض ​​مستوى سطح البحر نفسه بسرعة، اعتمادًا على ميل منحنى التشبع، ومعدل التغير الحراري ، وسرعة التيار الصاعد؛ أو إذا كان انخفاض${\displaystyle p}$تكون عملية التبخر بطيئة، وتعتمد على عدد وحجم بلورات الجليد. إذا كانت سرعة التيار الصاعد عالية جدًا، فإن جميع القطرات ستتجمد في النهاية بدلًا من أن تتبخر.

يُصادف حدٌّ مماثل في التيارات الهوائية الهابطة. يتبخر الماء السائل، مما يؤدي إلى ضغط البخار.${\displaystyle p}$للارتفاع، ولكن إذا كان ضغط التشبع بالنسبة للجليد${\displaystyle p_{i}}$إذا ارتفع بسرعة كبيرة في التيار الهابط، فسوف يذوب كل الجليد قبل أن تتشكل بلورات جليدية كبيرة.

قام كوروليف ومازين ^{[ 2 ]} باشتقاق تعبيرات لسرعة التيار الصاعد والهابط الحرجة:

${\displaystyle u_{up}={\frac {p_{w}-p_{i}}{p_{i}}}\eta N_{i}{\bar {r_{i}}}\,}$

${\displaystyle u_{dn}={\frac {p_{i}-p_{w}}{p_{w}}}\chi N_{w}{\bar {r_{w}}}\,}$

أين${\displaystyle \eta }$و${\displaystyle \chi }$هي معاملات تعتمد على درجة الحرارة والضغط،${\displaystyle N_{i}}$و${\displaystyle N_{w}}$تمثل كثافات عدد جزيئات الجليد والسائل (على التوالي)، و${\displaystyle {\bar {r_{i}}}}$و${\displaystyle {\bar {r_{w}}}}$يمثل متوسط ​​نصف قطر جزيئات الجليد والسائل (على التوالي).

بالنسبة لقيم${\displaystyle N_{i}{\bar {r_{i}}}}$نموذجي للسحب،${\displaystyle u_{up}}$تتراوح السرعات من بضعة سنتيمترات في الثانية إلى بضعة أمتار في الثانية. ويمكن توليد هذه السرعات بسهولة عن طريق الحمل الحراري أو الأمواج أو الاضطراب، مما يشير إلى أنه ليس من غير المألوف أن ينمو كل من الماء السائل والجليد في وقت واحد. بالمقارنة، بالنسبة للقيم النموذجية لـ${\displaystyle N_{w}{\bar {r_{w}}}}$^{[ 3} ] تتطلب سرعة التيارات الهابطة التي تتجاوز بضعة أمتار في الثانية انكماش كل من السائل والجليد في آن واحد. ^{[ 3 ]} هذه السرعات شائعة في التيارات الهابطة الحملية، لكنها ليست نموذجية للسحب الطبقية.

تبدأ الطريقة الأكثر شيوعًا لتكوّن بلورات الجليد بنواة جليدية داخل السحابة. يمكن أن تتكوّن بلورات الجليد من خلال الترسيب غير المتجانس ، أو التلامس، أو الغمر، أو التجمّد بعد التكثّف. في الترسيب غير المتجانس، تُغطّى النواة الجليدية بالماء فقط. أما في حالة التلامس، فتصطدم النوى الجليدية بقطرات الماء التي تتجمّد عند الاصطدام. وفي حالة التجمّد بالغمر، تُغطّى النواة الجليدية بالكامل بالماء السائل. ^{[ 4 ]}

يتجمد الماء عند درجات حرارة مختلفة تبعًا لنوع نوى التجمد الموجودة. تتسبب نوى التجمد في تجمد الماء عند درجات حرارة أعلى مما يتجمد عنده تلقائيًا. لكي يتجمد الماء النقي تلقائيًا، وهي عملية تُسمى التكوين المتجانس للنوى ، يجب أن تكون درجة حرارة السحب -35 درجة مئوية (-31 درجة فهرنهايت) . ^{[ 5 ]} فيما يلي بعض الأمثلة على نوى التجمد:  

مع نمو بلورات الجليد، قد تصطدم ببعضها البعض وتتكسر، مما ينتج عنه العديد من بلورات الجليد الجديدة. وتتعدد أشكال بلورات الجليد التي تصطدم ببعضها، ومنها السداسيات والمكعبات والأعمدة والتفرعات الشجرية. ويُطلق علماء الفيزياء والكيمياء الجوية على هذه العملية اسم "تعزيز الجليد". ^{[ 6 ]}

تُسمى عملية التصاق بلورات الجليد ببعضها البعض بالتكتل. يحدث هذا عندما تكون بلورات الجليد زلقة أو لزجة عند درجات حرارة -5 درجة مئوية (23 درجة فهرنهايت) وما فوق، وذلك بسبب طبقة من الماء تُحيط بالبلورة. تسقط بلورات الجليد ذات الأحجام والأشكال المختلفة بسرعات نهائية متفاوتة ، وعادةً ما تتصادم وتلتصق.  

يحدث التراكم (أو التجلد) عندما تصطدم بلورة جليدية بقطرات ماء فائقة التبريد. تتجمد القطرات عند الاصطدام ويمكن أن تشكل حبيبات جليدية . إذا أُعيد إدخال هذه الحبيبات الجليدية المتكونة إلى السحابة بفعل الرياح، فقد تستمر في النمو لتصبح أكبر وأكثر كثافة، لتشكل في النهاية بردًا . ^{[ 6 ]}

في نهاية المطاف، ستصبح بلورة الجليد هذه ثقيلة بما يكفي لتسقط. بل قد تصطدم ببلورات جليدية أخرى وتنمو أكثر فأكثر من خلال اندماج التصادم أو التجمع أو التراكم.

غالبًا ما تُؤدي عملية فيجنر-بيرجيرون-فاينديزن إلى هطول الأمطار. فمع نمو البلورات وسقوطها، تمر عبر قاعدة السحابة، التي قد تكون درجة حرارتها فوق الصفر. وهذا يُسبب ذوبان البلورات وسقوطها على شكل مطر. وقد توجد أيضًا طبقة من الهواء تحت الصفر أسفل قاعدة السحابة ، مما يُؤدي إلى تجمد الهطول مرة أخرى على شكل حبيبات جليدية . وبالمثل، قد تكون طبقة الهواء تحت الصفر على السطح، مما يُؤدي إلى سقوط الهطول على شكل مطر متجمد . وقد لا تُؤدي هذه العملية أيضًا إلى أي هطول، حيث يتبخر الهطول قبل وصوله إلى الأرض، كما في حالة تكوّن طبقة فيرجا .

• قائمة بمواضيع الأرصاد الجوية
• الهطول (علم الأرصاد الجوية)
• الاندماج (علم الأرصاد الجوية)
• نواة الجليد
• ثلج
• التنوي
• الترسيب الفيزيائي للبخار
• ضغط بخار التشبع

• والاس، جون م. وهوبز، بيتر ف.: علوم الغلاف الجوي ، 2006، رقم ISBN 0-12-732951-X.
• ياو، إم كيه ورودجرز، آر آر: "دورة مختصرة في فيزياء السحب"، 1989، رقم ISBN 0-7506-3215-1.

• عرض توضيحي لعملية بيرجيرون