Mediciones experimentales de la eficiencia de acreción de un granizo

Abstract

En este trabajo se midió experimentalmente la eficiencia y el ángulo máximo de acreción sobre un granizo esférico debido a la colección de gotas de agua sobreenfriadas de una nube mixta. Para ello, se utilizó un blanco metálico esférico que simula a un granizo colector, situado en una cámara frigorífica y totalmente inmóvil. Para las mediciones se generó una nube de gotitas de agua, de tamaños del orden de los micrones, mediante un generador ultrasónico. Luego que la nube de gotitas de agua alcanza la temperatura de la cámara frigorífica, un flujo de aire se accionaba desde el exterior de la cámara, el cual transportaba a las gotitas hacía el blanco colector produciendo la acreción. En cada medición se determinó el contenido de agua líquida mediante el método psicométrico y se determinó la masa de hielo acrecida sobre el colector. Las mediciones se realizaron a una temperatura de -10 o C y se utilizaron dos blancos esféricos de diámetros distintos, uno de 1 cm y otro de 0,76 cm de diámetro. Las mediciones se realizaron para velocidades de colisión en el rango entre 7 y 13 m/s. Las velocidades en el rango de 7 a 10 m/s corresponden a velocidades de caída de granizos esféricos con densidades de entre 0,5 y 0,9 g cm -3 y de diámetros igual a los diámetros de los blancos utilizados en las mediciones. Las velocidades superiores a 10 m/s no se corresponden a granizos reales pero son representativas de trayectorias balísticas de las gotas de agua y además permiten estudiar la formación de hielo sobre otras estructuras como son los aviones. Los valores de contenido de agua líquida utilizados en las mediciones están en el rango de entre 4 y 8 g m -3 , valores típicos de la región convectiva de las nubes de tormentas. De experimentos auxiliares se determinó el espectro de tamaños de las gotitas de agua que forman la nube y se encontró que éstas tienen un radio medio de 4,7 μm con una distribución de tamaños entre 2 y 12 μm de radio. De los resultados obtenidos se observó que, tanto la eficiencia de acreción como el ángulo máximo de acreción aumentan con la velocidad de colisión y que estas medidas son siempre mayores para el colector de menor tamaño. A pesar de la dispersión observada en los resultados experimentales, estos muestran un buen acuerdo con los valores teóricos propuestos en la literatura si se tiene en cuenta el espectro de tamaños de las gotitas de agua que forman la nube. En particular, la dispersión observada en los valores medidos de la eficiencia de acreción parece deberse al cambio en la geometría del blanco, producto de la capa de hielo acrecida sobre el mismo.

In this work, the efficiency and the angle of the riming on spherical graupel caused by the collection of supercooled drops from a mixed cloud has been experimentally measured. To do this, a spherical metallic target is used to simulate a collector graupel, located in a cold chamber and totally immobile. For the measurements, a cloud of water droplets with size of order of microns, was generated by an ultrasonic generator. After the cloud of water droplets reached the temperature of the cold chamber, an air flow was activated from the outside of the chamber, which transported the droplets to the collector target producing the accretion. On each measurement, the liquid water content was determined by using the psychometric method and the mass of ice riming on the collector was determined. The measurements were made at a temperature of -10 °C and for two targets of different diameters, one of 1 cm in diameter and another of 0.76 cm in diameter. For the measurements, collision speeds in the range between 7 and 13 m/s were used. Speeds in the range between 7 and 10 m/s correspond to spherical graupel fall speeds with densities between 0.5 and 0.9 g cm -3 and diameters equal to the diameters of the targets used in the measurements. Speeds over 10 m/s do not correspond to real graupels but they are representative of ballistic trajectories of water droplets and also allow the study of the formation of ice on other structures such as airplanes. The values of liquid water content used in the measurements are in the range between 4 and 8 g m -3 , typical values of the convective region of thunderstorms. From auxiliary experiments, the size spectrum of the water droplets forming the cloud was determined and it was found that these have an average radius of 4,7 μm with a size distribution between 2 and 12 μm radius. From the results obtained it was observed that both the efficiency and the riming angle increase with the collision speed and that these measures are always greater for the smaller collector. Despite of the dispersion observed in the experimental results, they show a good agreement with the theoretical values proposed in the literature if the spectrum of sizes of the water droplets that form the cloud is taken into account. In particular, the dispersion observed in the measured efficiency values seems to be due to the change in the geometry of the target, product of the ice layer riming on it.