Estudio de la influencia del mecanismo no-inductivo en la electrificación de las nubes de tormenta

Abstract

Existe evidencia experimental y mediciones de campo que indican que la presencia de la fase hielo en una nube de tormenta es fundamental para el desarrollo de la estructura eléctrica observada en el interior de la misma. Además, numerosos estudios han identificado a la colisión entre partículas de hielo como el principal mecanismo de separación de carga en tales nubes. A pesar de que los principios por los cuales la separación de carga ocurre no son claros, existe un acuerdo en la comunidad científica acerca de la capacidad del mecanismo no-inductivo de explicar dicha estructura eléctrica.El mecanismo no-inductivo establece que cuando dos partículas de hielo, eléctricamente neutras, colisionan y rebotan se produce una separación de carga. Distintos experimentos de laboratorio han demostrado que la magnitud y el signo de la carga separada dependen de las condiciones microfísicas que se encuentran en el interior de las nubes de tormenta, tales como la temperatura ambiente, el contenido de agua líquida, la velocidad de colisión y el espectro de tamaños de las gotas de agua sobreenfriadas y de los cristales de hielo. En base a estos estudios se ha concluido que, en ausencia de agua líquida o bajo condiciones de crecimiento húmedo de una de las partículas de hielo, el mecanismo no-inductivo no sería capaz de funcionar.La presente tesis ha tenido como objetivo principal el estudio del mecanismo no-inductivo bajo tales condiciones. Para ello, se realizaron mediciones experimentales de la intensidad de la corriente de cargado eléctrico que adquiere un granizo simulado durante la colisión con cristales de hielo, creciendo por deposición de vapor, en ausencia de gotas de agua sobreenfriadas y, en una segunda parte, en condiciones de crecimiento húmedo del granizo.Las mediciones del cargado eléctrico se realizaron en el interior de una cámara fría utilizando un túnel de viento vertical donde se ubicaba el blanco que simulaba un granizo.En las mediciones en ausencia de gotas de agua sobreenfriadas, el granizo fue simulado empleando una red metálica recubierta de hielo. Estas mediciones se realizaron en un rango de temperatura entre -7 y -21 ºC y para una velocidad de colisión entre el granizo y los cristales de hielo de 3 m s-1, condiciones microfísicas representativas de la región estratiforme de las nubes de tormenta.En las experiencias bajo condiciones de crecimiento húmedo del granizo, el mismo fue simulado por una esfera metálica y las mediciones se realizaron en el rango de temperatura entre -6 y -16 ºC, para contenidos de agua líquida efectiva entre 0.5 y 4 g m-3, y para velocidades de colisión entre 8 y 13 m s-1, condiciones representativas de la región cálida convectiva de las nubes de tormenta.A partir de las mediciones realizadas se confeccionó el diagrama de signo de la carga adquirida por el granizo y se estimó la magnitud de la carga transferida por colisión entre las partículas interactuantes.Los resultados evidencian una transferencia significativa de carga eléctrica en ausencia de gotas de agua, la cual fue estimada entre 0.01 fC y 0.3 fC por colisión. Además, los resultados muestran que el signo de la carga transferida depende de la temperatura ambiente y de la sobresaturación con respecto al hielo.Las mediciones para condiciones teóricas de crecimiento húmedo muestran un cargado positivo del granizo con una magnitud de la carga transferida por colisión de 10 fC. Estos resultados indican que, bajo un régimen de crecimiento húmedo del granizo, el mecanismo de electrificación no-inductivo es capaz de funcionar. Sin embargo, luego de cada medición se observó de manera directa que solo parte de la superficie del granizo alcanzaba la condición de crecimiento húmedo.Para explicar estas últimas observaciones se desarrolló un modelo numérico para determinar la distribución superficial de temperatura de un granizo creciendo por acreción de gotas de agua sobreenfriadas. Los resultados de este modelo muestran que existe un gradiente de temperatura entre el punto de estancamiento del granizo y su ecuador, el cual podría explicar las diferencias en los regímenes de crecimiento observados experimentalmente en la superficie del granizo.Estos nuevos resultados experimentales muestran que la carga transferida, bajo las condiciones estudiadas, es relevante y que el mecanismo de electrificación no-inductivo es capaz de funcionar de manera eficiente bajo estas condiciones. Finalmente, estos resultados pueden ser incluidos en los modelos numéricos de electrificación de las nubes de tormenta para lograr una mejor representación de las mismas.

Experimental evidence and field measurements show that the presence of ice phasein a thunderstorm is fundamental for the development of the electrical Structure observed inside it. In addition, numerous studies have identified the collision between ice particles as the main mechanism of charge separation in such clouds. However, the principles by which charge separation occurs are not clear. In this sense, there is an agreementin scientific community about the ability of the non-inductive mechanism to explain theelectrical structure observed.The non-inductive mechanism states that if two electrically neutral ice-particles co-llide and bounce off, a charge separation occurs. Laboratory experiments have shown thatthe magnitude and sign of the separated charge depend on the microphysical conditionsof thunderstorms such as ambient temperature, liquid water content, collision velocity andsize spectra of supercooled water droplets and ice-crystals. Based on these studies it hasbeen concluded that, in absence of liquid water or under wet growth conditions of one ofthe ice-particles, the non-inductive mechanism is not able to operate.The main objective of this thesis was the study of the non-inductive mechanism undersuch conditions. For this purpose, we performed experimental measurements of the electriccurrent intensity that acquires a simulated graupel during collisions with ice-crystals andgrowing by vapor deposition, in absence of supercooled water droplets and, in a secondpart, under wet growth conditions.The measurements were made inside a cold room using a vertical wind tunnel where the target was located, which simulates a graupel. In the measurements in absence of supercooled water droplets, the graupel was si-mulated using a brass network covered with ice. These measurements were made in a temperature range between -7 and -21ºC and for a collision velocity of 3 ms−1. These values are representative of the stratiform region of thunderstorms. In the experiences under wet growth conditions, the graupel was simulated by ametallic sphere and measurements were made in a temperature range between -6 and -16ºC, for effective liquid water contents between 0.5 and 4 gm−3, and for collision velocities between 8 and 13 ms−1. These conditions are representative of the convective warm region of thunderstorms.