GEF2200: Løsningsforslag til oppgavesett 10



Like dokumenter
Oppgavesett kap. 6 (3 av..) GEF2200

Oppgavesett kap. 6 (3 av..) GEF2200

GEF2200 Atmosfærefysikk 2016

- Det er trygt å oppholde seg i en bil når det lyner. Dersom bilen blir truffet, vil den føre lynet videre ned i bakken.

Repetisjonsforelsening GEF2200

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Kapittel 5 Skydannelse og Nedbør

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

GEF2200 Atmosfærefysikk 2017

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene.

Uttrykket 2 kaller vi en potens. Eksponenten 3 forteller hvor mange ganger vi skal multiplisere grunntallet 2 med seg selv. Dermed er ) ( 2) 2 2 4

METEROLOGI= Læren om bevegelsene og forandringene i atomosfæren (atmosfæren er lufthavet rundt jorden)

MET-kompendium. Atmosfærens stabilitet Fronter Skyer. Utarbeidet av Morten Rydningen

OBLIG 1 GEF Dråpevekst i skyer

Eksamen 1T høsten 2015, løsningsforslag

Universitetet i Bergen Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet Eksamen i emnet Mat131 - Differensiallikningar I Onsdag 25. mai 2016, kl.

Derivasjon. Kapittel Fart veg tid. 3.2 Kjerneregelen. Finn farten v(t) til ein bil når tilbakelagt strekning s(t) er

Figur 1. Skisse over initialprofilet av θ(z) før grenselagsblanding

Rust er et produkt av en kjemisk reaksjon mellom jern og oksygen i lufta. Dette kalles korrosjon, og skjer når metallet blir vått.

Finn volum og overateareal til følgende gurer. Tegn gjerne gurene.

Oppgave. føden)? i tråd med

Slope-Intercept Formula

TFY4104 Fysikk. Institutt for fysikk, NTNU. Høsten Øving 11. Veiledning: november.

Universitetet i Bergen Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Eksamen GEOF100 Introduksjon til meteorologi og oseanografi

Q = ΔU W = -150J. En varmeenergi på 150J blir ført ut av systemet.

a) Ved avlesning på graf får man. Dermed er hastighet ved tid sekund lik.

Løsningsforslag: Gamle eksamner i GEO1030

Løsningsforslag: oppgavesett kap. 6 (2 av..) GEF2200

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet


UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Under noen av oppgavene har jeg lagt inn et hint til hvordan dere kan går frem for å løse dem! Send meg en mail om dere finner noen feil!

Fasit og løsningsforslag til Julekalenderen for mellomtrinnet

EKSAMENSOPPGAVE I FAG TKP 4105

Trigonometric Substitution

IPCC, From emissions to climate change

UNIVERSITETET I OSLO

LØSNINGSFORSLAG, KAPITTEL 3

Løsningsforslag til obligatorisk oppgave i MAT 1100, H-04

Quiz fra kapittel 3. The vertical structure of the atmosphere. Høsten 2015 GEF Klimasystemet

Unit Relational Algebra 1 1. Relational Algebra 1. Unit 3.3

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Fasit - Oppgaveseminar 1

Løsningsforslag til eksamen i MAT111 Vår 2013

Generalization of age-structured models in theory and practice

Eksamen MAT 1011 Matematikk 1P Va ren 2014

Forelesning 9 mandag den 15. september

TFY4170 Fysikk 2 Justin Wells

Mathematics 114Q Integration Practice Problems SOLUTIONS. = 1 8 (x2 +5x) 8 + C. [u = x 2 +5x] = 1 11 (3 x)11 + C. [u =3 x] = 2 (7x + 9)3/2

UNIVERSITETET I OSLO

KONTIUNASJONSEKSAMEN I EMNE TFE 4120 ELEKTROMAGNETISME

S1 Eksamen våren 2009 Løsning

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: FYS Elektromagnetisme Fredag 31. august 2012 Kl 09:00 13:00 adm. Bygget, rom B154

Løsningsforslag AA6526 Matematikk 3MX Privatister 3. mai eksamensoppgaver.org

Sky i flaske. Innledning. Rapport 2 NA154L, Naturfag 1 del 2. Håvard Jeremiassen. Lasse Slettli

Løsningsforslag. 3 x e. g(x) = 1 + x4 x 2

EKSAMENSOPPGAVE. Eksamen i: Kje-1005 Termodynamikk og Kinetikk Dato: Torsdag 6.juni 2013 Tid: Kl 09:00 14:00 Sted: Teorifagbygget, hus 1, plan 3

EKSAMENSOPPGAVE. Tillatte hjelpemidler: Kalkulator med tomt dataminne Rottmann: Matematisk Formelsamling A.T. Surenovna: Norsk russisk ordbok

MAT 1001, Høsten 2009 Oblig 2, Løsningsforslag

UNIVERSITETET I OSLO

Quiz fra kapittel 1. Characteristics of the atmosphere. Høsten 2016 GEF Klimasystemet

Median: Det er 20 verdier. Median blir da gjennomsnittet av verdi nr. 10 og nr. 11. Begge disse verdiene er 2, så median er 2.

Varme innfrysning av vann (lærerveiledning)

Løsningsforslag til avsluttende eksamen i AST1100, høsten 2013

FYSMEK1110 Eksamensverksted 23. Mai :15-18:00 Oppgave 1 (maks. 45 minutt)

Fysikkolympiaden 1. runde 26. oktober 6. november 2015

Løsning IM

Snøkrystaller Ola Nilsen, Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo, Postboks 1033 Blindern, 0315 Oslo

DEL 1 (Uten hjelpemidler, leveres etter 3 timer) 3(a + 1) 4(1 a) (6a 1) = 3a a 6a + 1

Numeriske modeller for prediksjon av underkjølt skyvann. Masteroppgave i geofysikk. Geir Arne Waagbø

Dialogkveld 03. mars Mobbing i barnehagen

a) Stempelet står i en posisjon som gjør at V 1 = m 3. Finn det totale spesikte volumet v 1 til inneholdet i tanken. Hva er temperaturen T 1?

Gå til Drawing and Animation i Palette-menyen og legg til Canvas og Ball. OBS! Ball må slippes inni Canvas på skjermen for at den skal bli lagt til.

Mer om likninger og ulikheter

NOEN BEGREP: Husk at selv om det regner på bakken der du er kan relativt luftfuktighet være lavere enn 100%.

UNIVERSITETET I OSLO ØKONOMISK INSTITUTT

Eksamen i emnet MAT111/M100 - Grunnkurs i matematikk I Mandag 15. desember 2003, kl (15) LØYSINGSFORSLAG OPPGÅVE 2:

Oppgavesett nr.5 - GEF2200

Eksamen REA3022 R1, Våren 2013

UNIVERSITY OF OSLO DEPARTMENT OF ECONOMICS

Obligatorisk oppgave i MAT 1100, H-03 Løsningsforslag

melting ECMI Modelling week 2008 Modelling and simulation of ice/snow melting Sabrina Wandl - University of Linz Tuomo Mäki-Marttunen - Tampere UT

EKSAMEN Løsningsforslag

GEO1030: Løsningsforslag kap. 5 og 6

FLYMEDISIN. Grunnleggende Flymedisin

BRUK AV BLÅ SENSORER PasPort (temperatursensorer)

Neural Network. Sensors Sorter

Lufttrykket over A vil være høyere enn lufttrykket over B for alle høyder, siden temperaturen i alle høyder over A er høyere enn hos B.

UNIVERSITETET I OSLO

Kjøpsveileder solceller. Hjelp til deg som skal kjøpe solcelleanlegg.

Løsningsforslag til underveisvurdering i MAT111 vår 2005

Løsningsforslag: Kurs TEP4195 TURBOMASKINER. NTNU Institutt for Energi- og Prosessteknikk FREDAG 21. MAI 2004 TID: 09:00 13:00

NyGIV Regning som grunnleggende ferdighet

LØSNINGSFORSLAG, KAPITTEL 2

Generell trigonometri

FLERVALGSOPPGAVER - CELLEMEMBRANEN

Solutions #12 ( M. y 3 + cos(x) ) dx + ( sin(y) + z 2) dy + xdz = 3π 4. The surface M is parametrized by σ : [0, 1] [0, 2π] R 3 with.

Exam in Quantum Mechanics (phys201), 2010, Allowed: Calculator, standard formula book and up to 5 pages of own handwritten notes.

Transkript:

GEF2200: Løsningsforslag til oppgavesett 0 A.38.C Exam 2004 a. Prosessen som beskrives ved ligningen er iskrystallvekst ved avsetning. Venstre side er endring i masse per tid. C er kapasitansen, som er analogen til fluksen av vanndamp til og fra iskrystallen, og ε 0 er permittiviteten til free space. C og ε 0 er faktorer som må være med for at likningen skal kunne gjelde for alle ispartikler med tilfeldig form og ikke kun sfæriske ispartikler (sammenlikn med likning 6.2). S i er overmetningen over is, og G i = D v( ), der D er diffusjonskoeffisienten og v( ) er vanndamptrykket rundt krystallen. b. Massen er gitt ved krystallens tetthet og form: M = πr 2 d () der d er tykkelsen og r er radien til krystallen. Setter inn C = 8rε 0 og får dm = C G i S i dt ε 0 d dt ( πr2 d) = 8rε 0 G i S i ε 0 d dt (r2 ) = 2r dr dt = 8rG is i π d dr dt = 4G is i π d (2) Den siste ligningen kan integereres fra r 0,t = 0 til r,t: r(t) r 0 dr = t 0 4G i S i dt (3) π d r(t) = r 0 + 4G is i π d t (4) Figure : Variation of G i S i with temperature for an ice crystal growing in an environment at water saturation and total pressure of 000hPa. (WH06 Figure 6.39)

Fra Figur finner vi G i S i =.85 0 9 kgs m ved T = 5 C. Setter inn for t = 800s r 800s = r 0 + 4.85 0 9 kgs m π 0 5 3 800s m 97kgm =.0 0 4 m + 4.62 0 4 m = 0.562mm Ved temperatur T = 4 C finner vi fra Figur at G i S i,b = 3.3 0 9 kgs m. Fra ligning (4) har vi da r 2,800s = r 0 + 4 3.3 0 9 kgs m π 0 5 3 800s m 97kgm =.0 0 4 m + 8.24 0 4 m = 0.924mm som er en (0.942 0.562)/0.562 00% = 68% større radius. A.47.C Exam 2006 2 a. The mechanisms we have for ice particle growth in cold clouds are. deposition from vapor phase, 2. riming of supercooled droplets on the crystal and 3. aggregation. b. The equation for growth by collision dr dt = v sw l E c 4 l (5) can be used for ice particle growth mechanisms which undergo collision, which are riming (collision of ice particle and supercooled droplets) and aggregation (collision of ice particles). For ice crystals, we have to use the density of ice i. In the case of riming, w l is the amount of water droplets, but in case of aggregation we change this to the amount of ice crystals per volume w i. c. To find the radius of a growing ice particle that collects (collides) with supercooled droplets, we use Equation (5) and insert the given values. And then we get v s = r2 ig 0 72η w l = 0.5g/m 3 = 5 0 4 kg/m 3 η =.7 0 5 kgm s g 0 r 0 = 9.8ms = 00µm = 0 4 m E c = 0.6 dr = r2 ig 0 w l E c (6) dt 72η 4 i r dr t g 0 w l E c r 0 r 2 = dt (7) 0 4 72η [ r ] = g 0w l E c r 0 288η t (8) 2

And for t = 5min = 5 60 = 900s, we solve for r A particle growing by riming is a graupel. r = g 0w l E c 900s r 0 288η (9) = 0 4 9.8 5 0 4 0.6 288.7 0 5 900 = 9459m r = 9459 m =.06 0 4 m = 06µm d. Water vapor pressure over a droplet relative to a plane surface of water (and therefore the surroundings) is given by e s(r) e s ( ) = + a r b r 3 (0) where a = 2σ nkt and b = 3imMw 4M sπ. e s (r)/e s( ) Relative humidity for the surface of the droplet, when the effect of the shape and composition of the droplet is taken into account. e s(r) is the saturation pressure of water vapor over the droplet, and e s ( ) is the saturation pressure over a plane surface of water. For a plane surface of water, there is no correction to e s. a/r Correction term caused by the surface stress of the droplet. Called the curvature effect, which is large for small droplets. b/r 3 Correction term depending on the amount of salt solved in the droplet. This term is called the solute effect, and is important for small droplets, where the concentration of salt iones is large. For the smallest droplets this effect is more important than the curvature effect (/r 3 vs /r), allowing droplets to reach activation by reducing the necessary supersaturation to form droplets. This means that the solute effect is most important for activating a droplet. A.65.C (GF224-94-3) Eksamen 994 3 (GF224) a. Varm sky Temperatur over 0 C, dvs. under 0-isotermen. Kald sky Temperatur under 0 C, dvs. over 0-isotermen. b. Heterogen frysing er mest vanlig i naturen, og er frysing ved hjelp av frysekjerner (aerosoler) feks. snø/is eller leirpartikler, noe som kan skje ved noen få minusgrader. Homogen frysing skjer ved at overmetning av vanndamp i forhold til is blir stor nok. Da må temperaturen være kaldere enn -36 til -40 C, litt avhengig av dråpestørrelsen. c. Riming Underkjølt vann er tilstede i større eller mindre mengder i de fleste kalde skyer. Ved 3

kontakt med en ispartikkel vil disse kunne fryse på ispartikkelen. Tørrvekst: Frysevarmen ledes vekk. Våtvekst: Frysevarmen gir vannfilm på utsiden av partikkelen (fører til hagl/sprøhagl). Sammenfiltring (aggregation) Ispartikler hekter seg sammen. Mest effektiv for høyere temperaturer (T 5 C). Krystalltypen spillen en rolle; krystaller som har vokst ved riming vokser mer effektivt ved denne mekanismen (større mulighet til sammenfiltring). Men for kornsnø, som dannes ved relativt kraftig riming, er dette ikke tilfelle, siden det hele tiden fryser nytt vann slik at krystallen mister sin opprinnelige fasong (og blir mer kuleformet). Vekst ved kondensasjon (deposition) Det er vanlig med høye overmetninger i forhold til is. Dermed vil en iskrystall, når den først har blitt dannet, kunne vokse raskt ved at damp fryser direkte på den. d. dm dt = DC ǫ 0 [ρ v ( ) ρ vc ] () M = Massen til iskrystallen. t = tiden D = Diffusjonskoeffisient C = Kapasitans ǫ 0 = permittivitet ρ v = Tetthet av vanndamp i omgivelsene ρ vc = Tetthet av vanndamp ved overflaten av krystallen Variasjon med temperaturen Ligningen beskriver vekst ved kondensasjon. Det er hensiktsmessig å se på tilfellet når lufta er akkurat mettet i forhold til en vanndråpe. Veksten er da raskest ved ca -4 C, og avtar for både høyere og lavere temperatur (ingen vekst ved T 0 C). e. Siden vi har underkjølte vanndråper, er luften mettet i forhold til vann, det vil si en overmetning i forhold til is på ca 0%. Slipper vi inn iskjerner, vil disse iskrystallene vokse raskt ut fra ligningen i oppgave d, og de kan også vokse ved riming. Det kan også tenkes at den relative fuktigheten faller under metning i forhold til vann, siden iskrystallene konsumerer mye vanndamp. Dermed vil de gjenværende vanndråpene begynne å fordampe, hvilket vil gi ytterligere vekst på krystallene. Resultatet kan bli at skyen mer eller mindre løser seg opp. A.70.C (GF224-98-5) Eksamen 998 5 (GF224) a. Se Figur 2. For alle temperaturer < 0 C er e si < e s. Dette betyr at iskrystaller vil oppleve større overmetning enn skydråper ved samme temperatur, og dermed vokser iskrystallene raskere enn dråpene. Siden differansen e si e s er størst ved 4 C, er krystallveksten størst der. Det faktum at det er underskudd på iskjerner i en typisk sky, betyr at skylufta typisk har e/e s 00%, mens e/e si 0 20%. Iskrystallene vokser derfor meget raskt ved diffusjonsvekst. Etter hvert kan e/e s falle under 00%, mens e/e si > 00, og skydråpene vil 4

Figure 2: Endringen med temperatur for (likevekts)metnignsvanndamptrykket e s over en plan overflate av vann (rød linje, skala til venstre), og differansen mellom e s og metningsvanndamptrykket over en plan flate av is e si (blå linje, skala til høyre). (WH06, Figur 3.9.) fordampe mens krystallene vokser. Konsekvens: Det er mye lettere å få nedbør fra kalde enn varme skyer, særlig hvis e/e s 00%. b. Diffusjonsvekst Når vi har overmetning og det er iskrystaller til stede, vil vanndampen diffundere mot iskrystallene. Som beskrevet ovenfor er denne mekanismen meget effektiv, spesielt mellom 0 og 20 C. Avhengig av temperatur og overmetning får man dannet iskrystaller av forskjellige fasonger. Riming Iskrystallene som har vokst ved diffusjonsvekst vil etter hvert falle i forhold til skyen. I fallet vil de kollidere med underkjølte skydråper som vil fryse på krystallene. Ved kraftig riming forsvinner krystallstrukturen og vi får graupel (kornsnø) eller i ekstreme tilfeller hagl. Sammenfiltring (aggregation, sammenslåing) Iskrystaller med forskjellige fallhastigheter kan kollidere. De vil kunne klebre/filtre seg sammen. Både temperatur og fasong er viktig, feks. vil plater ikke kunne vokse ved denne mekanismen, siden fallhastigheten er uavhengig avstørrelse og de ikke kolliderer så lett. Sammensfiltring av iskrystaller er mer sannsynlig når temperaturen ikke er for lav, spesielt ved T > 5 C. c. Hagl dannes i kraftige konveksjonsskyer med høyt vanninnhold. Dannes når lufta er fuktig instabil og temperaturen nær bakken er forholdsvis høy, mens det er kaldt i høyden. Den kraftige turbulensen fører til at haglkornet føres opp og ned i skyen flere ganger, mens det høye vanninnholdet er nødvendig for å få den kraftige rimingen. Hagl har typisk en løkstruktur, med vekselsvis gjennomsiktige lag som dannes ved våtvekst: rimingen er så kraftig at varmen ikke ledes bort, men gir et flytende lag utenpå haglet og ugjennomsiktige lag som oppstår ved tørrvekst, og inneholder da mye luft. 5

Det er rimingen som er viktig for hagldannelse. Hagl er tilnærmet kuleformet, noe som ikke er typisk for de to andre mekanismene. Det at hagl kun observeres ved stort vanninnhold, er også en indikasjon på at denne mekanismen dominerer. d. Iskjerner er fremmede partikler i lufta som fører til dannelse av iskrystaller ved frysing av skydråper. Uten iskjerner ville ikke skydråper ha frosset til is med mindre temperaturen var 40 C, men noen iskjerner er effektive helt opp til ca 4 C. Ligning for antall iskjerner som funksjon av temperatur: ln N = a(t T) (2) der N er antall iskjerner per volumenhet, T er den temperatur som gir N(T ) = L, mens a ligger i intervallet 0.3 til 0.8. Denne variasjonen skyldes forskjeller i aerosolsammensetning under forskjellige himmelstrøk. Ved T = 20 C (253K) finner vi typisk N L. Antallet ispartikler er veldig variabelt, fra 0 L til 0 2 0 3 L, men typisk er antallet en del større enn L. Dette skyldes trolig ismultiplikasjon. Det finnes flere mulige forklaringer på dette, men den mest utbredte er at iskrystaller sprekker ved riming pga. spenninger som oppstår når underkjølte dråper fryser på iskrystaller. Dråpen fryser innover og utvidelsen fører til at den sprekker. Mekanismen er effektiv mellom 3 og 8 C. e. Dette tyder på at det er mye lavere konsentrasjon av iskjerner over Arktis enn over de Britiske Øyer. Diffusjonsveksten vil være viktig i begge tilfeller, siden e < e si i en sky. Forekomsten av kornsnø tyder på at riming er viktig i Arktis, men den har ingen betydning ved de Britiske Øyer, siden det ikke forekommer underkjølt vann i skyene der (i dette tilfellet). Sammenfiltring vil definitivt være viktig ved de Britiske Øyer, siden det er mange iskrystaller i skyen. Den vil også kunne operere i Arktis, men riming vil være viktigst der. A.75.C Eksamen GEF2200 2008-02 a. S i er overmetningen over is, og G i = D v( ), der D er diffusjonskoeffisienten og v( ) er vanndamptrykket rundt krystallen. Produktet G i S i har et maksimum ved -4 grader celcius, fordi forskjellen mellom metningtrykket over vanndamp og over is er maksimal ved denne temperaturen. Iskrystaller som vokser gjennom kondensasjon/deposisjon av vanndamp vil vokse raskest ved temperaturer rundt -4 grader celcius. b. Ispartikler kan vokse videre enten ved hjelp av riming der underkjølte dråper kolliderer og fryser på ispartikkelen eller ved hjelp av opphopning/sammenklumpning der ispartikler kolliderer med hverandre, gitt at fallhastighetene er forskjellige. Sannsynligheten for for at ispartiklene sammenfiltrer øker med temperatur og er størst ved -5 grader celcius. c. Integrerer likning (6) fra M 0 til M, ved tiden 0 til t M M 0 dm = t 0 C ε 0 G i S i dt (3) M = M 0 + C ε 0 G i S i t (4) Leser av verdien for G i S i i figur til 3 0 9 kgs m og setter inn de øvrige verdiene oppgitt i oppgaven, finner M=.8 µg 6