Electrificación de las nubes de tormenta : el mecanismo no inductivo

Tesis (Doctor en Física)--Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación, 2019.Numerosos estudios han identificado a la colisión entre partículas de hielo como el principal mecanismo de separación de carga en las nubes de tormenta. Este mecanismo se conoce como mecanismo de electrificación no-inductivo. Distintos experimentos de laboratorio han demostrado que la magnitud y el signo de la carga separada dependen de las condiciones microfísicas de las nubes 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 asume que, en ausencia de agua líquida o bajo condiciones de crecimiento húmedo de una de las partículas de hielo, el mecanismo no-inductivo no es 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. Los resultados obtenidos 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. 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.Numerous studies have identified the collision between ice particles as the main mechanism of charge separation in thunderstorms. This mechanism is known as non-inductive electrification mechanism. Laboratory experiments have shown that the magnitude and sign of the separated charge depend on the microphysical conditions of thunderstorms such as ambient temperature, liquid water content, collision velocity and size spectra of supercooled water droplets and ice-crystals. Based on these studies it has been concluded that, in absence of liquid water or under wet growth conditions of one of the 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 under such conditions. For this purpose, we performed experimental measurements of the electric current intensity that acquires a simulated graupel during collisions with ice-crystals and growing by vapor deposition, in absence of supercooled water droplets and, in a second part, under wet growth conditions. The obtained results show that charge transfer, under the conditions studied, is relevant and that the non-inductive electrification mechanism is able to function efficiently under these conditions. Finally, these results could be included in numerical models of thunderstorm electrification to achieve a better representation of them.Fil: Luque, Melina Yasmín. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía, Física y Computación; Argentina

Transferencias de carga eléctrica en las regiones estratiformes de las nubes de tormenta

Tesis (Lic. en Física)--Universidad Nacional de Córdoba, Facultad de Matemática, Astronomía y Física, 2014.Fil: Luque, Melina Yasmín. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía y Física; Argentina.Existen evidencias que indican que, dentro de una nube de tormenta, hidrometeoros con diámetro del orden de milímetros transportan carga eléctrica de una magnitud apreciable. Distintos experimentos en laboratorios han demostrado que la magnitud y el signo de la carga transferida a un granizo durante interacciones con cristales de hielo dependen de las condiciones microfísicas de las nubes. En este trabajo se presentan mediciones experimentales de la carga transferida a un granizo simulado durante la colisión con cristales de hielo crecidos por deposición de vapor. Los resultados muestran que la carga adquirida por el granizo depende fuertemente de la diferencia de temperaturas entre las partículas interactuantes y de la sobresaturación del ambiente en el que están inmersas.Fil: Luque, Melina Yasmín. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía y Física; Argentina

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

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.Fil: Luque, Melina Yasmín. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola. Universidad Nacional de Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola; Argentin

Surface temperature distribution on a spherical ice particle growing by accretion in wet growth regime

Experimental evidence has demonstrated that temperature on the surface of an ice particle growing by accretion is not uniform. This non-uniformity is relevant because the ice particle surface temperature is an important microphysical parameter that influences the sign and magnitude of the charge transfer during ice particles collisions. In particular, when high values of ambient temperature and liquid water content are reached, the ice particle surface temperature is expected to reach 0 °C, which is known as wet growth regime. Previous experimental results have shown that wet growth is not uniformly reached on the ice particle surface and a surface temperature distribution is developed. In order to know the surface temperature distribution of a fixed ice particle growing by accretion of supercooled water, numerical calculations were carried out. It was found that the surface temperature distribution has a strong dependence on liquid water content, ambient temperature, airflow velocity and water droplet size. The stagnation point always reaches higher temperatures and, in many cases, its temperature is near 0 °C. For some values of the liquid water content, ambient temperature and airflow velocity, it was possible to determine temperature differences up to 7 °C between the stagnation point and the equator. This variation in the surface temperature implies that the region near the stagnation point would experience wet growth, while the rest of the ice particle surface would remain in dry growth regime, supporting the partial wet growth hypothesis. This could also explain the charge transfer reported during ice particles collisions under wet growth conditions.Fil: Luque, Melina Yasmín. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola. Universidad Nacional de Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola; Argentina. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía y Física; ArgentinaFil: Burgesser, Rodrigo Exequiel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola. Universidad Nacional de Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola; Argentina. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía y Física; ArgentinaFil: Castellano, Nesvit Edit. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola. Universidad Nacional de Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola; Argentina. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía y Física; Argentin

Study of the correlation between electrical activity and the microphysics and dynamsics of a real severe event using the WRF-ELEC model

Atmospheric electrical activity is one of the most damaging meteorological phenomena. Studies suggest that storm electrical discharges are correlated with severe weather events such as hail, strong surface winds, etc. To study these correlations, in addition to real data, numerical simulations can be used. In this work, we investigated the electrical activity of simulated thunderstorms using the WRF-ELEC model over a case study of the RELAMPAGO field campaign (11 December 2018) associated with the occurrence of generalized deep moist convection in central Argentina including some supercell storms. The WRF-ELEC model successfully reproduced the convective event. A tracking algorithm was used to individualize different convective cells and to study the relationship between their electric activity and different microphysical and kinematic variables. The model reproduced the expected correlations and time lags between these variables. In particular, the model showed that the best correlation occurred between the graupel and hail mass and the electric activity of the storms; this is expected given the key role of these microphysical species in the charge separation processes. Also, 5 m·s−1 updraft volume and cloud top temperature (CTT) temporal evolutions presented good correlations with the electrical activity. Maximum updraft show a less but still good correlation with the electrical activity. We also investigated the correlation between the electrical activity and the hail and graupel concentration near the surface (as an indicator of hail precipitation) and the near-surface winds and we found that correlation is strong. In particular, for near-surface ice, we determined that peaks in electrical activity precede peaks in hail and graupel precipitation and that electrical activity could be used as a proxy of this high-impact weather event.Fil: Luque, Melina Yasmín. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola. Universidad Nacional de Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola; ArgentinaFil: Burgesser, Rodrigo Exequiel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola. Universidad Nacional de Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola; ArgentinaFil: Ruiz, Juan Jose. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera; Argentin

Charge separation in collisions between ice crystals and a spherical simulated graupel of centimeter size

This work reports a new laboratory study of the electric charge separated in collisions between a spherical target of 1 cm in diameter growing by riming and vapor-grown ice crystals, with the objective of studying the charging behavior of the larger ice precipitation particles in thunderstorms in terms of the noninductive mechanism. A series of experiments was conducte d for a wide range of environmental conditions; the measurements were performed for effective liquid water content between 0.5 and 5 g m−3, for ambient temperatures between −5 and −30 °C and at air speed of 11 m s−1. The magnitude and sign of the electric charge transfer on the ice sphere as a function of the ambient temperature and the effective liquid water content is presented. The results show a charge reversal temperature for the riming target, which is roughly independent of liquid water concentration in the measured range. The simulated graupel charges negatively for temperatures below −15 °C, and positively at temperatures above −15 °C.Fil: Luque, Melina Yasmín. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía y Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola. Universidad Nacional de Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola; ArgentinaFil: Nollas, Fernando Martin. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía y Física; ArgentinaFil: Pereyra, Rodolfo Guillermo. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía y Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola. Universidad Nacional de Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola; ArgentinaFil: Burgesser, Rodrigo Exequiel. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía y Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola. Universidad Nacional de Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola; ArgentinaFil: Avila, Eldo Edgardo. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Matemática, Astronomía y Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola. Universidad Nacional de Córdoba. Instituto de Física Enrique Gaviola; Argentin