Flüssiger Niederschlag kann vollständig ohne Eisphase entstehen.
In warmen Wolken liegen die Teilchen als Flüssigwasser vor. Kondensation baut zunächst Wolkentröpfchen auf, erzeugt aber typischerweise keine Millimeter-Tropfen in kurzer Zeit. Für effizientes weiteres Wachstum muss die Größenverteilung breiter werden.
Sobald einige Tropfen größer sind, wächst ihre terminale Fallgeschwindigkeit. Sie durchqueren die Population kleinerer Tropfen und erzeugen dadurch Begegnungen. Bleiben kollidierende Tropfen zusammen, spricht man von Koaleszenz.
Je größer ein Tropfen, desto schneller fällt er — aber nicht proportional zum Durchmesser.
Ein fallender Tropfen beschleunigt, bis Gewicht und aerodynamischer Widerstand im Mittel im Gleichgewicht stehen. Die resultierende terminale Fallgeschwindigkeit hängt nichtlinear von der Tropfengröße ab. Für Regen- und Drizzletropfen verwendet das Lab die empirische Best-Näherung
mit D in Millimetern und vt in Metern pro Sekunde. Für sehr kleine Tröpfchen unter 0,1 mm wird stattdessen die Stokes-Näherung vt=ρwgD²/(18μ) benutzt. Beide Beziehungen sind Lehrmodelle und ersetzen keine vollständige Drag-Berechnung.
Eine Begegnung garantiert noch keinen Massenzuwachs.
Der geometrische Querschnitt eines Kollektortropfens und eines kleineren Tropfens lautet näherungsweise A=π(D+d)²/4. Für die Zahl der Begegnungen pro Zeit ist zusätzlich die relative Fallgeschwindigkeit Δv=|vt(D)−vt(d)| nötig.
Die dimensionslose Effizienz E fasst im Lehrmodell zusammen, dass kleine Tropfen aerodynamisch um einen großen Tropfen herumgeführt werden können und dass nicht jede Berührung zu dauerhafter Koaleszenz führt. Deshalb ist E≤1.
Geometrie, Relativgeschwindigkeit und Effizienz ergeben einen Volumenstrom.
K besitzt die Einheit m³/s. Multipliziert man K mit der Zahlkonzentration kleiner Tröpfchen, erhält man eine charakteristische Kollisionsrate pro Kollektortropfen. Multipliziert man K mit dem Flüssigwassergehalt LWC, ergibt sich im monodispersen Lehrmodell eine Massenzuwachsrate.
Damit wird die zentrale Rückkopplung sichtbar: wächst D, ändern sich Querschnitt und Fallgeschwindigkeit; der Kernel selbst ist also nicht konstant. Das Lab friert ihn für eine Passage diagnostisch ein und kennzeichnet diese Näherung ausdrücklich.
Niederschlag ist ein vertikaler Volumenfluss, nicht nur „große Tropfen“.
Für eine monodisperse Population von Regentropfen mit Zahlkonzentration Nr gilt
R ist zunächst eine äquivalente Wasserlängenrate; das Lab gibt sie in mm/h aus. Reale Regenfelder besitzen breite Tropfengrößenverteilungen, deshalb ist die monodisperse Beziehung eine Diagnose, keine Niederschlagsparametrisierung.
Kollektorgröße, Wolkentröpfchen, LWC und Effizienz gemeinsam variieren.
Das Lab koppelt die Best-Fallgeschwindigkeit mit einem geometrischen Kollisionskernel. Ein konstanter Kernel wird über eine vorgegebene Wolkentiefe integriert, um einen diagnostischen Austrittsdurchmesser zu bestimmen. Parallel wird aus D und Nr eine monodisperse Regenrate berechnet.
Koaleszenz kann sich selbst beschleunigen, sobald eine Größenstreuung vorhanden ist.
Ein größer werdender Tropfen besitzt einen größeren geometrischen Querschnitt und meist eine höhere Fallgeschwindigkeit. Dadurch kann der Kollisionskernel wachsen. Reale Wolken koppeln diesen Prozess an Turbulenz, vertikale Bewegung, Tropfenspektren und die räumliche Verteilung des Flüssigwassers.
Genau deshalb ist der im Lab berechnete Austrittsdurchmesser nur eine Ein-Pass-Diagnose mit eingefrorenem Kernel. Ein prognostisches Koaleszenzmodell müsste die Tropfengrößenverteilung zeitabhängig entwickeln.
Regen ist weder nur „Kondensation“ noch nur „schwere Tropfen“.
Die Schwerkraft trennt Tropfen nach ihrer Fallgeschwindigkeit; sie erzeugt aber keine Koaleszenz ohne Begegnungen. Umgekehrt reicht eine Kollision nicht, wenn die Tropfen abprallen oder auseinanderbrechen. Bei großen Tropfen begrenzen Verformung und Breakup weiteres Wachstum.
Auch die Best-Näherung ist ein glattes Lehrmodell. Reale Fallgeschwindigkeiten hängen von Luftdichte, Druck, Temperatur, Tropfenform und Turbulenz ab. Eine reale Regenrate verlangt die Integration über eine Tropfengrößenverteilung.
Warmer Regen ist ein populationsdynamischer Prozess aus Geschwindigkeit, Begegnung und Massentransfer.
Kondensation allein erzeugt Millimeter-Tropfen nur ineffizient.
Größenunterschiede erzeugen differenzielle Fallgeschwindigkeit.
Querschnitt, Δv und Effizienz bestimmen den Kollisionskernel.
Nicht jede Kollision führt zu dauerhaftem Massenzuwachs.
Regenrate ist ein vertikaler Wasserfluss aus Größe, Zahl und Fallgeschwindigkeit.
Reale Niederschlagsmodelle benötigen eine Tropfengrößenverteilung.
Cross-References
Wie bestimmen Eisnukleation, Kristallhabitus, Aggregation und Riming die festen Niederschlagsformen?