Physics and Chemistry of Clouds

Cover......Page 1
PHYSICS AND CHEMISTRY OF CLOUDS......Page 4
©......Page 5
Dedication......Page 6
Contents......Page 8
Preface......Page 12
Part I Background......Page 16
1.1 Importance of clouds......Page 18
1.2.1 Overview......Page 20
1.2.2 Macroscopic forms......Page 21
1.2.3 Microscopic properties......Page 26
Warm-cloud microstructure......Page 29
Cold-cloud microstructure......Page 34
1.4 Problems......Page 42
2.1.1 History of the atmosphere......Page 44
2.1.2 Molecular nature of matter......Page 48
2.1.3 States of matter......Page 55
Gases......Page 56
Liquids......Page 63
Solids......Page 72
Classifications......Page 81
Particle size......Page 83
Composition of particulate matter......Page 90
Geographical distributions of aerosols......Page 91
2.2 Energy in the atmosphere......Page 94
Nature of electromagnetic energy......Page 95
Sources of radiation......Page 98
Radiative interactions with the atmosphere......Page 101
2.2.2 Effects of clouds......Page 111
2.2.3 Global distribution of energy......Page 115
Temperature......Page 118
Pressure......Page 121
Scale height......Page 123
Density......Page 126
Column abundance......Page 127
2.3.2 Horizontal structure......Page 128
Zonal averages......Page 129
Air masses......Page 130
Fronts......Page 131
2.3.3 Planetary-scale patterns......Page 132
2.4 Further reading......Page 133
2.5 Problems......Page 134
Part II Transformations......Page 138
3 Equilibria......Page 140
3.1 Molecular interpretation of equilibrium......Page 141
3.2 Thermodynamic perspective of phase equilibrium......Page 145
3.3 Phase relationships......Page 147
3.3.1 Effect of temperature on vapor pressure......Page 148
3.3.2 Pressure melting and the phase diagram......Page 153
3.4 Interfaces......Page 154
3.4.1 Effect of curvature on vapor pressure......Page 155
3.4.2 Surface melting......Page 159
3.5 Multicomponent systems......Page 161
3.5.1 Effect of solute on vapor pressure......Page 162
3.5.2 Effect of solute on melting......Page 164
3.5.3 Non-ideal solutions......Page 166
3.5.4 Köhler theory for non-volatile solutes......Page 168
3.5.5 Volatile solutes......Page 171
Dissociating gases......Page 172
Gas uptake in confined systems......Page 181
Effect of volatile solutes on Köhler theory......Page 183
3.7 Problems......Page 187
4.1 Deviations from equilibrium......Page 190
4.2.1 Molecular kinetics......Page 194
4.2.2 Budgets......Page 195
4.3 Microscale transport......Page 198
4.4 Formation of new substances......Page 200
4.4.1 Thermal reactions......Page 201
4.4.2 Photochemistry......Page 208
Tropospheric oxidants......Page 210
Stratospheric ozone......Page 215
4.5 Aerosol formation......Page 220
4.5.1 Precursors......Page 221
4.5.2 Secondary aerosols......Page 224
4.6 Further reading......Page 228
4.7 Problems......Page 229
Part III Cloud macrophysics......Page 232
5.2 Characterization of a moist atmosphere......Page 234
5.3.1 Adiabatic isobaric processes......Page 237
5.3.2 Adiabatic expansion or compression......Page 239
5.4.1 Buoyancy......Page 246
No condensation......Page 248
With condensation......Page 249
5.5 Mixing......Page 250
5.7 Problems......Page 253
6.1 Cooling mechanisms......Page 257
6.1.2 Isobaric adiabatic mixing......Page 258
Lifting condensation level......Page 260
6.2 Adiabatic supersaturation development......Page 262
6.3 Cloud dynamics......Page 265
6.3.1 Principles......Page 266
6.3.2 Parcel theory......Page 268
Limitations of parcel theory......Page 269
6.4 Mesoscale organization......Page 271
6.4.1 Convection systems......Page 272
Single-cellular convection......Page 273
Multicellular convection......Page 275
Supercellular convection......Page 277
Mesoscale convective systems......Page 279
6.4.2 Stratiform clouds......Page 282
Marine cloud-topped boundary layers......Page 283
Elevated layer clouds......Page 286
6.6 Problems......Page 287
Part IV Cloud microphysics......Page 290
7 Nucleation......Page 292
7.1.1 Homogeneous nucleation......Page 294
Flat, insoluble surface......Page 300
Nucleation on an insoluble particle......Page 303
Formation of liquid on a soluble particle......Page 305
Particle activation......Page 310
Homogeneous freezing......Page 313
Freezing of haze droplets......Page 319
7.2.2 Heterogeneous nucleation of ice......Page 322
Nature of ice nuclei......Page 323
Modes of action......Page 326
Theory of heterogeneous nucleation......Page 328
7.4 Problems......Page 333
8.1 Overview......Page 335
Step 1 (Mass transport)......Page 338
Step 2 (Surface processes)......Page 340
Step 3 (Energy transport)......Page 341
The growth laws – putting it all together......Page 343
8.2.2 Refinements to the theory of condensation......Page 344
Effects of ventilation......Page 345
Effects of surface processes......Page 346
Transient behavior......Page 355
8.3 Vapor-growth of individual ice crystals......Page 357
8.3.1 Electrostatic analogy......Page 358
8.3.2 Refinements to the theory of deposition......Page 360
Surface physics and the linear growth of facets in pure vapor......Page 361
8.3.3 Growth of a spherical ice particle in air......Page 369
8.3.4 Habit formation......Page 373
8.3.5 Mass growth of ice particles......Page 377
8.4 Melting......Page 384
8.5 Further reading......Page 392
8.6 Problems......Page 393
9.1 Overview......Page 395
9.2.1 Aerosol particles and liquid drops......Page 396
Summary of particle fallspeeds......Page 406
9.2.2 Snow and ice particles......Page 408
9.3.1 Collisions......Page 414
9.3.2 Coalescence......Page 417
9.3.3 Rebound......Page 419
9.3.4 Disruption......Page 421
9.4 Riming......Page 422
9.5 Capture nucleation......Page 425
9.6 Aggregation......Page 426
9.8 Problems......Page 428
Part V Cloud-scale and population effects......Page 430
10.1 Overview......Page 432
10.2 Extended theory......Page 433
10.3 Aerosol influences......Page 436
10.4 Quasi-stationary supersaturation......Page 439
10.5 Microphysical and dynamical influences......Page 441
10.7 Problems......Page 446
11.1 Overview......Page 448
11.2 Continuous collection......Page 452
11.3 Diabatic condensation......Page 454
11.4 Stochastic collection......Page 455
11.5 Warm rain......Page 460
11.6 Aerosol effects......Page 467
11.8 Problems......Page 469
12.1 Overview......Page 472
12.2 Ice initiation......Page 474
12.3.1 Mass conversion......Page 476
12.3.2 Ice multiplication......Page 481
12.4 Snow and cold rain......Page 484
12.5 Hail formation and growth......Page 487
12.7 Problems......Page 492
13.1 Overview......Page 495
13.2 Scavenging of aerosol particles......Page 499
13.2.1 Nucleation scavenging......Page 500
13.2.2 Impaction scavenging......Page 508
Interception......Page 509
Inertial collection......Page 510
Brownian diffusion......Page 511
Overall effects......Page 513
13.3 Uptake of trace gases......Page 515
13.3.1 Mechanisms......Page 516
External transport......Page 517
Interfacial exchange......Page 518
Internal transport......Page 523
13.3.2 Aqueous-phase reactions......Page 525
13.4 Precipitation chemistry......Page 531
13.4.1 Spectral migration of chemicals......Page 532
13.4.2 Wet removal......Page 535
13.6 Problems......Page 542
14.1.1 Electrical structure of thunderstorms and the atmosphere......Page 544
14.1.2 Schools of thought......Page 548
14.2 Macroscale charge separation......Page 550
14.3 Microscale charge separation......Page 553
14.4.1 Breakdown......Page 558
14.4.2 Lightning......Page 559
14.5 Further reading......Page 561
14.6 Problems......Page 562
Appendix A Cloud classification......Page 563
Appendix B Overview of thermodynamics......Page 565
Appendix C Boltzmann distribution......Page 572
References......Page 577
Index......Page 583