Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

литов. Заряженный кристаллит имеет соответственно ориентиро­ ванное поле, которое влияет на эффективные водородные связи, и будет действовать как ядро кристаллизации. Поэтому появление тонких нитей переохлажденной воды в электрическом поле спо­ собствует образованию заряженных кристаллитов и увеличивает вероятность замерзания капель. Возможно, что кристаллиты по­ являются и при разрушении тонких водяных пленок, как это про­ исходит при грибообразном разрушении капель.

Лезем [377] считает, что при слиянии капель даже в слабых электрических полях между ними образуется водяная нить, в ко­ торой могут возникнуть кристаллиты. В результате произойдет замерзание обеих капель. В подтверждение Лезем приводит част-

Рис. 20. Гаителеобразные замерзшие капельки. По Лезему [377].

ное сообщение Смита об опытах по взаимодействию переохлаж­ денных капель, падающих в электрическом поле; в этих опытах капли замерзали с образованием перемычки между ними (рис. 20).

—5° С [377].

Аббас и Лезем [209] выполнилиопыты по замерзанию капель с различным содержанием растворимых газов. Они установили, что вероятность замерзания капель, разрушаемых электрическим полем и насыщенных хорошо растворимыми газами (С02 и SO2), выше, чем капель, находящихся в равновесии с воздухом, и зна­ чительно выше, чем капель, не находящихся под воздействием поля.

Несмотря на значительные различия результатов эксперимен­ тальных исследований действия электрических сил иа кристалли­ зацию переохлажденных капель, можно считать, что такое влия­ ние существует. Но есть еще необходимость в проведении дальней­ ших исследований.

63

1.В.4. Особенности замерзания капель воды, вторичные ядра замерзания и влияние электрических сил

на их эффективность

Рассмотрение некоторых аспектов образования дождя пока­ зало, что в облаках недостает ядер кристаллизации, необходимых

когда переохлаждение происходит весьма медленно. Когда замер­ зание наступает при слабом переохлаждении капли, на ее поверх­ ности появляется весьма тонкая ледяная стекловидная оболочка; она совершенно прозрачна и вследствие неравномерности кристал­ лизации подвержена интенсивной деформации (рис. 21 а). При силь­ ном переохлаждении, например до —10° С, па поверхности капли

64

образуется толстая ледяная оболочка. Кристаллизация происходит настолько быстро, что заметная деформация поверхности не обна­ руживается (рис. 21 ж). Оболочка становится матовой из-за бы­ строго выделения при замерзании абсорбированного водой воз­ духа, который в виде мельчайших пузырьков заполняет ледяную оболочку.

Если у капель с топкой прозрачной оболочкой давление воз­ духа уменьшается вследствие деформации поверхности, то у ка­ пель с толстой матовой оболочкой давление воздуха непрерывно возрастает. Это приводит к прорыву оболочки в отдельных местах. Зачастую через отверстия прорыва выливаются на поверхность небольшие порции воды, создается впечатление «вскипания». Ино­ гда вода выбрасывается в виде струйки [81].

воды, которая расширяется при замерзании. В. М. Мучник и ІО. С. Рудько [139] обнаружили, что после замерзания капли в ее жидком ядре появляются пузырьки воздуха, которые начинают расти. Это приводит к появлению выпуклости на поверхности капли (рис. 21 в). По мере накопления воздуха в пузырьке проис­ ходит дальнейшее выдавливание оболочки и образование рога (рис. 21 г). Часто происходит раздутие и прорыв воздуха в вер­ шине рога (рис. 21 е). Таким образом, рога представляют собой трубочки, заполненные воздухом.

При замерзании капли часто взрываются, разлетаясь на от­ дельные части (рис. 21 а). По измерениям Висажи [554], в замер­ зающих каплях диаметром 7—10 мм развивается весьма большое давление, достигающее десятков бар. Согласно наблюдениям Мей­ сона и Мейбепка [431], Мучника и Рудько [139] и др., взрываются почти исключительно прозрачные капли. Причина этого заключа­ ется в том, что матовый лед имеет губчатую структуру. Было об­ наружено, что на частоту взрывания замерзающих капель оказы­ вает сильное влияние присутствие углекислого газа и вентиляция. С увеличением концентрации углекислого газа частота взрывания замерзающих капель увеличивается, а с увеличением интенсив­ ности вентиляции — уменьшается [42, 354].

Дей и Хоббс [287] обратили внимание на влияние условий теп­ лового равновесия на частоту взрываний капель при замерзании. В случаях теплового равновесия капель с окружающей атмосфе­ рой из 48 капель радиусом около 0,5 мм ни одна не разрушилась, хотя наблюдалось образование рогов и трещин. В тех же случаях, когда замерзание происходило при отсутствии теплового равнове­ сия или при сильных переохлаждениях, наблюдалось взрывание капель. В опытах В. А. Дячука [42], в которых отсутствовали в масштабах капли градиенты температуры и вследствие венти­ ляции тепловое равновесие наступало весьма быстро, частота слу­ чаев взрывания капель была небольшой.

Бмгг [232] исследовал образование осколков при замерзании капелек облачных размеров. Если замерзание капелек происхо­ дило при температуре около —30° С, то наиболее часто число ос­ колков не превышало семи. Сравнительно редко встречались слу­ чаи, когда одна капелька давала более 10 осколков. Мейсон и Мейбенк [431] для капель радиусом 1000 мкм обнаружили до­ вольно четкую зависимость образования ледяных осколков от тем­ пературы переохлаждения. Чем ниже эта температура, тем меньше среднее число осколков на одну каплю. Наблюдалась -хорошо вы­ раженная зависимость максимального числа осколков от дефор­ мации капель при замерзании. При отсутствии сильной деформа­ ции (образование рогов) максимальное число осколков па одну каплю составляло 10—20, а при образовании рогов оно увеличи­ валось на целый порядок — 150—200.

Результаты опытов Дея и Хоббса [287] оказались в противоре­ чии с результатами, приведенными выше. При давлении воздуха 1000 мб из 48 капель только две дали осколки, хотя на значитель­ ной части капель наблюдались рога и трещины. Выход ледяных кристаллов был небольшим. Так, при —10° С одна капля дала два осколка, а другая — один осколок. При уменьшении давления до 100 мб частота образования осколков увеличилась: из 12 капель пять дали от одного до четырех осколков.

Ю. С. Рудько [162] измеряла разность времени замерзания оди­ ночных капель и пар капель с момента их погружения в холодиль­ ную камеру. Если из поверхности капель вырываются осколки, то они должны служить вторичными ядрами кристаллизации. Вслед­ ствие этого разность времени замерзания пар капель должна быть меньше, чем для одиночных. Действительно, в этих опытах была обнаружена такая закономерность.

Браунскомб и Торндайк [252] установили, что свободно па­ дающие капли дистиллированной воды радиусом 60—120 мкм, за­

—5 до —15° С частота разрушения капель, как правило, не превы­ шает 10%. Капли больших размеров имеют несколько большую частоту разрушения.

Исследования образования ледяных осколков при соударении капель с поверхностью ледяной сферы диаметром 5,5 мм, поме­ щенной внутри аэродинамической трубы, были выполнены Леземом и Мейсоном [381]. Они обнаружили, что при соударении со скоростью 10 м/с капель радиусом 40 мкм с поверхностью ледя­

дяных осколков при фиксированных температуре и размере капель имеет максимум для скорости потока 10 м/с, весьма быстро умень­

.66

шается с уменьшением скорости и несколько более медленно при увеличении скорости до 30 м/с. Зависимость образования ледяных осколков от температуры весьма велика в пределах от —2. до —6° С, а затем до —17° С не наблюдается какого-либо изменения их числа.

Приведенные выше результаты исследований показывают, что существует весьма большая зависимость частоты взрывания за­ мерзающих капель и выбрасывания ледяных осколков из их по­ верхности от условий опытов. Можно полагать, что в облаках частота взрывания и выбрасывания ледяных осколков из замер­ зающих капель должна быть небольшой.

Наблюдения за испарением частиц льда в ненасыщенной ат­ мосфере показали, что при этом на их поверхностях образуются ледяные усики, которые являются единичными кристаллами. Диа­ метр усиков около 0,5 мкм, а их длина значительно превышает диаметр. Мичели и Лисенблат [442] и др. предположили, что при обламывании осколки ледяных усиков могут служить вторичными ядрами замерзания.

Как было показано выше, в сильных электрических полях ве­ роятность замерзания капель несколько повышается. Тем самым увеличивается и вероятность образования осколков, а вместе с тем и концентрация вторичных ядер кристаллизации в облаке.

А. Д. Малкина и Е. Г. Зак [112] высказали соображение, что при взрывании замерзающих капель должны возникать электри­ ческие заряды. В дальнейшем этот эффект электризации был почти одновременно и независимо друг от друга исследован Л. Г. Качуриным и В. И. Бекряевым [81], Мейсоном и Мейбенком [431] и В. М. Мучником и Ю. С. Рудько ’. Лезем и Мейсон [380, 381] показали, что и осколки, вырывающиеся из поверхности за­ мерзающих капель, также имеют заряды. Мучник и Рудько уста­ новили, что при отрывании осколков от поверхности капель, за­ мерзающих в электрическом поле, образуются заряды вследствие поляризации льда. При разрушении частиц льда (снежинок, ве­ точек инея и т. п.) в электрическом поле и без него также проис­ ходит электризация фрагментов. Таким образом, ледяные осколки, образующиеся в облаках, оказываются заряженными.

Эффективность действия вторичных ядер кристаллизации, под которой здесь понимается вероятность их попадания на поверх­ ность переохлажденных капель, будет зависеть от ряда причин, в том числе от зарядов ядер и электрического поля. Поэтому, если выполнить опыты, подобные проведенным Рудько [162], в электри­ ческом поле, то следует ожидать увеличения вероятности кристал­ лизации пар капель по сравнению с таковой при отсутствии поля. Если действие электрического поля имеет место, то с увеличением