Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Т а б л и ц а 12

Потеря массы каплями при разрушении в горизонтальном электрическом поле. По Мекки [411]

начинается при критической напряженности около 8,5 -10s В/м и быстро увеличивается с увеличением напряженности, достигая при 11,5-ІО5 В/м 35% первоначальной массы. Если время экспозиции меньше 2- 10-2 с, потеря массы такой каплей даже при напряжен­

А т/т %

ьи]/ т %

ности поля 11,25ІО5 В/м не наблюдается. С увеличением времени экспозиции отмечается вначале весьма быстрое увеличение потери массы, которое затем замедляется.

Дальнейшее исследование потери массы под действием силь­ ных электрических полей произвел Метыос [434]. Он получил, что капли радиусом 2,15 мм при 9- ІО5 В/м теряют около 20% своей массы при экспозициях от 0,10 до 0,18 с и менее 1% при экспози­ циях меньше 0,07 с. Капля радиусом 2,8 мм при напряженности около 7,9-ІО5 В/м и экспозиции 0,07 с теряет всего 5% своей

■90

Глава 2

СТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫХ ОБЛАКОВ

Грозовые явления в умеренных широтах развиваются в основ­ ном в конвективных облаках, а именно в кучево-дождевых. Даже в тех случаях, когда эти явления наблюдаются летом на теплых фронтах, которым вообще свойственны облака слоистых форм, вследствие неоднородности условий происходит чаще всего раз­ витие неустойчивости и образование кучево-дождевых облаков.

Для изучения природы грозы необходимо иметь достаточно полное представление об образовании, развитии и строении ку­ чево-дождевых облаков. Уже исследования Бейерса и Брейема [255] позволили выделить три стадии развития конвективных об­ лаков: 1) кучевых, 2) зрелости, 3) диссипации. Это представление о стадийности развития кучево-дождевых облаков в дальнейшем многократно уточнялось.

Так как основные процессы грозообразования протекают в зре­ лых кучево-дождевых облаках, ограничимся их рассмотрением, а также остановимся на вопросах перехода мощных кучевых об­ лаков в кучево-дождевые.

2.1. КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫЕ ОБЛАКА

Из самого названия вытекает основная характеристика кучево­ дождевых облаков, отличающая их от мощных кучевых облаков. Она заключается в том, что из кучево-дождевых облаков выпадает обычно ливневый дождь. Наблюдения за ливневыми дождями при­ вели к выводу, что они могут выпадать как из чисто капельно­ жидких облаков, так и из облаков со смешанной фазой воды. В умеренных широтах ливневые дожди образуются наиболее ча­ сто в кучево-дождевых облаках со смешанной фазой. В тропиче­ ских областях частота возникновения ливней в капельно-жидких облаках больше, чем в умеренных. Капельно-жидкие кучево-дож­ девые облака будем называть теплыми, хотя их вершина может находиться при отрицательных температурах. Однако когда идет речь о кучево-дождевых облаках и не делается каких-либо огово­ рок, всегда подразумеваются облака со смешанной структурой.

92

2.1.1. Ливневые дожди из теплых кучево-дождевых облаков

Длительное время предполагалось, что в умеренных широтах только слабая морось (радиус капель порядка 100 мкм) может образоваться в капельно-жидких облаках, что даже сравнительно слабый дождь может выпадать исключительно из облаков со сме­ шанной фазой.

Вместе с данными, подтверждающими представление о том, что в умеренных широтах ливневые дожди образуются при кристал­ лизации переохлажденных вершин мощных кучевых облаков, по­ является все больше материала, указывающего на возможность их возникновения в теплых облаках. Так, наземные радиолокаци­ онные наблюдения в разных географических районах умеренных широт позволили обнаружить в ряде случаев появление первого радиоэхо ниже уровня изотермы 0°С [225, 352 и др.]

Рассмотрим условия, необходимые для роста облачной ка­ пельки до размеров дождевой капли в мощных кучевых облаках. На основании многочисленных наблюдений за спектром дождевых капель можно считать, что их концентрация в среднем равна при­ мерно ІО3 м-3. Концентрация облачных капелек в мощных кучевых облаках составляет в среднем около ІО8 м_3. Таким образом, шанс превратиться в дождевую каплю имеет небольшое число капелек. Остальные капельки являются материалом для образования дож­ девой капли. Естественно предположить, что наибольшие шансы превратиться в дождевые капли имеют капельки максимальных размеров. Наблюдения за спектром облачных капелек показали, что в мощных кучевых облаках имеются крупные капельки (радиу­ сом 20—30 мкм), способные расти за счет коагуляции.

Финдайзен [296] вычислил скорость коагуляционного роста капли, падающей в монодисперсном облаке с постоянной водно­ стью при отсутствии восходящих токов. Затем Я. И. Френкель и Н. С. Шишкин [187] произвели расчеты для случая с постоянными восходящими токами, а Н. С. Шишкин [198] — для случая, когда скорость восходящих токов убывает с высотой. Лэнгмюр [109] учел влияние коэффициента эффективности соударения капель на ско­ рость их роста. Шишкин [199] рассчитал конденсационный и коа­ гуляционный рост капель при постоянных восходящих токах и постоянной водности в облаках, и он же рассчитал случай с пере­ менной водностью. Весьма обстоятельные расчеты были выпол­ нены Ю. А. Баруковой и др. [11]. На рис. 31 приведена кривая зависимости радиуса капель (града) от средней скорости восходя­ щих токов в начальный период в конвективных облаках. Из гра­ фика следует, что размер капель (градин) почти линейно зависит от средней скорости восходящих токов. В [11] предположено, что механизм роста града совершенно такой же, как и дождевых капель, и результаты их расчетов распространены на частицы, имеющие размеры градины.

На основании таких расчетов было получено, что в конвек­ тивных облаках с вертикальной мощностью 2—3 км может

93

образоваться дождь. В результате многие авторы пришли к выводу, что коагуляция капель является основным механизмом роста гидро­ метеоров и что появление твердой фазы только несколько уско­ ряет их рост, а не является необходимым условием образования ливневых дождей. Этот спор нельзя считать завершенным, так как

менения, т. е. является сто­ хастическим процессом. В по­ следнее десятилетие предпринимаются попытки исследовать сто­

хастический процесс формирования спектра капель в облаках (В. И. Беляев [13], И. П. Мазин [110], Л. М. Левин и Ю. С. Седунов [106] и др.) и отдельные попытки исследования стохастиче­ ского процесса роста дождевых капель (И. П. Мазин [ПО]).

Электрические поля и заряды в капельно-жидких конвективных облаках сравнительно невелики, однако это касается только сред­ них значений. В небольших объемах и за малое время электриче­ ские заряды и напряженность поля, а также водность могут Зна­ чительно превышать свои средние значения. Это позволило И. М. Имянитову и др. [74] высказать предположение, что в таких объемах создаются особенно благоприятные условия для интен­ сивного роста капелек и такие объемы являются «питомниками» крупных капелек, которые вырастают до размера дождевых капель.

94

2.1.2. Кристаллизация вершин мощных кучевых облаков

Типичное, так сказать, «классическое» кучево-дождевое облако представляет собой большую облачную массу диаметром около 10 км, верхняя граница которой лежит на высоте более 5 км над

Рис. 32. Вид с самолета кучево-дождевого облака с кристалличе­ ской наковальней, 25 июля 1964 г., Западная Украина. Ф о т о Е. Е. Корниенко.

поверхностью земли, и характеризуется ярко выраженной кри­ сталлической вершиной в виде наковальни из перистых облаков (рис. 32). Вместе с тем у значительного числа облаков наковальня отсутствует или недостаточно хорошо выражена, но тем не менее

95

они имеют смешанную структуру и проявляют себя во всех отно­ шениях так же, как кучево-дождевые облака. С. М. Шметер [204] обнаружил, что во многих случаях по внешнему виду нельзя от­ личить мощные кучевые облака от кучево-дождевых: верхняя часть последних нередко напоминает цветную капусту, что во- обще-то характерно для мощных кучевых облаков, но вместе с тем в них наблюдается интенсивное радиоэхо и даже грозовые разряды. Шметер считает, что существуют три стадии развития кучево-дождевых облаков: стадия роста, для которой характерен быстрый подъем вершины и сохранение внешнего вида капельно­ жидкого облака (Cb calvus); стационарная стадия, характеризую­

при которой происходит разрушение капельно-жидкой части ку­ чево-дождевого облака, а вершина, превратившаяся в перистое облако, часто продолжает самостоятельное существование.

Кристаллизация вершин мощных кучевых облаков и их преоб­ разование в кучево-дождевые могут происходит за счет двух про­ цессов: спонтанного замерзания капелек или их замерзания при внесении посторонних ледяных зародышей. Воздушные токи, ско­ рость которых в вершинах достигает 1—-2 м/с, могут переносить вверх капли диаметром 100—500 мкм. При температуре в вершине ниже —12° С уже существует некоторая вероятность замерзания таких капель. Возможно, что капли имеют некоторые шансы за­ мерзнуть при температурах выше —12° С при поступлении ядер кристаллизации на их поверхность [311]. Если в атмосфере присут­ ствуют ледяные кристаллы, то при падении они могут попасть в переохлажденную вершину мощных кучевых облаков и вызвать кристаллизацию. Особенно обильный засев ледяными кристал­ лами возможен при наличии перистых облаков [240].

Приведенные выше механизмы кристаллизации могут объяс­ нить только возникновение кристаллизации, но не разительное несоответствие, достигающее нескольких порядков величины, между концентрациями ледяных кристаллов и ядер замерзания в вершинах кучево-дождевых облаков [366 и др.]. Для объяснения этого несоответствия необходимо ввести представление о сущест­ вовании в вершинах кучево-дождевых облаков механизма размно­ жения ядер кристаллизации. Мейсон [430] обратил внимание на то, что при замерзании капель образуются ледяные кристаллы, которые могут служить вторичными ядрами кристаллизации. Кроме того, они могут образоваться в результате обламывания веточек дендритных кристаллов и усиков, вырастающих на по­ верхности ледяных частиц ([442] и др.). Распространение вторич­

А. П. Чуваев [75]), то вследствие этого, как показали В. М. Муч­ ник и Ю. С. Рудько [141], скорость распространения кристаллиза­ ции должна увеличиться.

96