باران

بخار آب همراه با کاهش دمای هوای محیط به نقطه شبنم می‌رسد و به ذرات بسیار ریز آب و کریستال‌های یخ تبدیل می‌شود، سپس با هواویز برخورد کرده و به یکدیگر می‌چسبند. سرانجام نیز با انباشت ذرات آب و هواویزهای به هم چسبیده، فرایند به هم پیوستن انجام پذیرفته و ابرها شکل می‌گیرند. اندازه قطرات آب موجود در ابر می‌تواند بین ۱۰ میکرون تا ۱ میلی‌متر باشد.

رطوبت فراوانی به شکل ابر رسانا در جو زمین، بسیار بیشتر از آنچه که هوای منطقه می‌تواند تحمل کند، جمع می‌شود. در این حالت گفته می‌شود که اشباع صورت پذیرفته و آب و کریستال‌های یخ برای ریزش به سوی زمین آماده شده‌اند.

وقتی که هوا اشباع می‌شود و دیگر قادر به انباشت بخار آب بیشتری نیست، به دو طریق ابرها شکل می‌گیرند:

• مقدار آب موجود در هوا (برای مثال از طریق تبخیر) به نقطه‌ای رسیده که هوا قادر به انباشت بیشتر آب نیست.
• هوا تا نقطه شبنم (نقطه‌ای که در آن انقباض صورت می‌گیرد) سرد شده و دیگر قادر به انباشت آب بیشتری نیست. هرچه هوا گرمتر باشد قادر به انباشت مقدار بیشتری بخار آب است. ابرها معمولاً از طریق انقباض پدید می‌آیند. هوا همان‌طور که ارتفاع می‌گیرد، سرد می‌شود و کاهش دمای هوا توانایی آن را در انباشت بخار آب طوری کاهش می‌دهد که فرایند انقباض صورت می‌پذیرد. ارتفاعی که نقطه شبنم در آن ممکن می‌گردد و ابرها شکل می‌گیرند به نام سطح انقباض شناخته می‌شود.[5]

قطرات ابر به دو روش به وجود می‌آیند، بزرگ می‌شوند و به صورت قطرات باران می‌بارند. این دو روش عبارتند از فرایند برگرون (Bergeron) و فرایند به هم پیوستگی برخوردی.

به هم پیوستگی برخوردی توصیف می‌کند که چگونه باران در ابرهای گرم شکل می‌گیرد. ابرهای گرم ابرهایی هستند که در زیر سطوح منجمد کننده جو جاگیر شده‌اند.

در داخل این ابرها قطرات نسبتاً بزرگ ابر مایع به دلیل حضور هسته‌های متراکمی مثل نمک دریا شکل می‌گیرند. این قطرات بزرگ شده، با سرعت نسبتاً زیاد در میان ابر سقوط می‌کنند و با قطرات کوچکتر و کندتر برخورد می‌کنند. وقتی که این اتفاق رخ می‌دهد، قطرات ریز به هم ملحق می‌شوند و بزرگتر می‌شوند. سپس این قطره بزرگتر حتی سریعتر سقوط می‌کند و بیشتر همسایگانی که آهسته حرکت می‌کنند را نیز با خود همراه می‌کنند.

این چرخه ادامه می‌یابد و ادامه می‌یابد تا زمانی که تقریباً یک میلیون یا بیشتر از یک میلیون قطره ریز ابر با هم جمع می‌شود. در این موقع، قطره به اندازه کافی بزرگ شده تا از ابر خارج شود و سفرش به روی زمین را بدون تبخیر انجام دهد و به سطح زمین برسد.[6]

البته اگر لایه‌های هوا پایین رطوبت کمی داشته باشند ممکن است قطرات آب مجدداً تبدیل به بخار شده و هرگز به زمین نرسند. برای این که باران به زمین برسد باید ریزش ابر آنقدر ادامه پیدا کند تا در لایه زیرین رطوبت افزایش یابد و قطرات باران بتوانند بدون تبخیر شدن مجدد به سطح زمین برسند. اگر ذرات ناخالصی جاذب رطوبت در توده هوا وجود داشته باشد قطرات آب جذب این ذرات شده و بسیار سریعتر رشد می‌کنند و فرایند تشکیل باران بسیار سریعتر انجام می‌شود. به علاوه قطرات باران سنگین تر شده و با سرعت بیشتری به سمت زمین حرکت می‌کنند که بدین معنی است که زمان کمتری را در لایه‌های غیر اشباع سپری کرده و مقدار کمتری از آنها بخار می‌شوند و احتمال رسیدن این قطرات به سطح زمین بسیار بیشتر می‌شود. اگرچه این نظریه بسیار ساده و قابل قبول است اما نمی‌تواند تمام انواع بارندگی‌ها را به خوبی تشریح کند.[7]

این فرایند از نام یک هواشناس سوئدی به نام تور برگرون (Tor Bergeron) گرفته شده و توضیح می‌دهد که چگونه قطرات آب فوق‌العاده سرد با بلورهای یخ اثر متقابل دارند به نحوی که برف دانه‌ها رشد کنند.

فرایند برگرون توضیح می‌دهد که چگونه باران در بخش‌های بالایی و سرد ابرها تولید می‌شود که در آن دما به میزان زیادی زیر نقطه انجماد است. بیشتر بارانی که از فرایند برگرون حاصل می‌شود، به صورت دانه‌های برف شروع می‌شود. از این رو گاهی اوقات باران سرد نامیده می‌شود. برخلاف آنچه به نظر می‌رسد، زمانی که آب خالص در داخل هوا معلق است، درواقع در دمای صفر درجه سانتیگراد منجمد نمی‌شود. این آب منجمد نمی‌شود تا زمانی که درجه حرارت تقریباً به ۴۰- درجه کاهش پیدا کند.[8] وجود ناخالصی‌های جاذب رطوبت کمک می‌کند که آب سریعتر منجمد شود و به دانه‌های برف یا یخ تبدیل شود، بسته به این که دمای ابر چقدر باشد و نحوه تغییرات دما در این توده به چه صورت باشد بلورهایی با اشکال متفاوت شکل می‌گیرند.[7]

زمانی که آب و یخ به صورت همزمان در داخل ابر وجود داشته باشد از آنجایی که فشار بخار در سطح آب مایع بیشتر از فشار بخار سطح یخ است در این حالت مولوکولهای تبخیر شده از قطرات آب جذب ذرات یخ می‌شود و به مرور قطرات آب کوچکتر شده و بلورهای برف یا یخ بزرگتر می‌شوند تا حدی که می‌توانند به سمت زمین حرکت کرده و بارش شروع می‌شود، حال اگر در لایه‌های زیرین دمای هوا بالاتر از صفر باشد بلورهای یخ ذوب شده و بارش به صورت باران در می‌آید اما اگر دما زیر صفر یا نزدیک صفر باشد بارش به صورت برف به سطح زمین خواهد رسید.

گاهی اوقات ریزش ابرهای بالاتر باعث اشباع شدن توده‌های پایین‌تر و تشکیل ابرهای ثانویه در زیر ابر اصلی می‌شود که می‌توان پیش‌بینی کرد که بارش به زودی به سطح زمین خواهد رسید و گاهی نیز بارشهای ابرهای بالاتر باعث غلیظ تر شدن ابرهای پایین‌تر و شروع بارش ابرهای لایه‌های پایین‌تر می‌شود که در این حالت ممکن است شما چند نوع بارندگی به‌طور همزمان رخ دهد.[7]

بارش بیشتر به وسیله فرایند برگرون شکل می‌گیرد تا به شکل به هم پیوستگی برخوردی.[8]

برای این که فرایند برگرون کار کند، لازم است که یک ابر هم حاوی قطرات آب مایع و هم بلورهای یخ باشد. هر دوی اینها با هم فقط در داخل ابرهایی که درجه حرارت بین ۱۰- و ۲۰- درجه سانتیگراد دارند وجود دارند.

به همین ترتیب، فرایند به هم پیوستگی برخوردی تنها زمانی می‌تواند کار کند که ابرها حاوی قطرات مایعی باشند که اندازه شان به‌طور متوسط بزرگتر از ۰٫۰۲ میلیمتر است. از آنجایی که همه ابرها چنین نیستند، همه آنها قادر به تولید بارش با به هم پیوستگی برخوردی نیستند.

شکل قطرات باران نسبت به اندازه‌های قطرات متفاوت است

ابرهایی که کم عمق یا باریکند برای به هم پیوستگی برخوردی مناسب نیستند، زیرا فاصله کافی وجود ندارد تا قطره‌های باران با بقیه قطره‌ها برخورد کنند و به اندازه کافی رشد کنند تا از درون ابر سقوط کنند. ابرها با عمق عمودی زیاد بهتر باران تولید می‌کنند.[6]

همچنین اگر قطرات کوچک آب موجود در یک ابر، به یک توده هوای گرم برخورد کنند تبخیر شده و ابر ناپدید می‌شود. به همین علت است که ابرها، مدام تغییر شکل می‌دهند. آب موجود در آنها از حالت بخار به مایع تبدیل می‌شود. قطرات آب موجود در ابر، وزن دارند؛ بنابراین، جاذبه زمین آنها را به پایین می‌کشد. آنها به پایین و پایین‌تر تنزل می‌کنند و هم چنان‌که در حال فرود، به سطح زمین نزدیک می‌شوند، تبخیر صورت می‌گیرد.[9]