Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

достаточно хорошего совпадения. Был подтвержден вывод Хо­ кинга о том, что критическое значение радиуса капелек, при кото­ ром отсутствует коагуляция, равно 18 мкм.

Сартор и Миллер [499] перевычислили данные Хокинга [339] с некоторыми уточнениями. Для капли с Я = 30 мкм и r/R = 0,5 их

сказываться на определении вероятности коагуляции на ранних стадиях роста капелек, т. е. для і? <120 мкм. Девис [275] для ка­

15—20 мкм с более мелкими капельками весьма малы и у капель меньших размеров мало шансов расти за счет гравитационнойкоагуляции; поэтому вопрос о росте облачных капель радиусом примерно от 5 до 20 мкм остается нерешенным.

В. Г. Левич [107, 108] исследовал вопрос о влиянии броунов;- ского движения на коагуляцию облачных капелек. Он показал, что вследствие значительного превышения массы капелек над мас­ сой молекул воздуха броуновская диффузия весьма мала для ча­ стиц размером порядка 1 мкм и ею можно пренебречь.

Турбулентные движения воздуха, которые особенно велики в конвективных облаках, должны оказывать определенное влия­ ние на вероятность соударения капелек. Исследования этого во­ проса выполнены В. Г. Левичем [107, 108], Истом и Маршаллом [288] и др. А. И. Ивановский и И. П. Мазин [55], например, вычис­ лили, что для восьмикратного увеличения объема капелек, кото­ рые вследствие начального слияния имели двойную массу, требу­ ется 8 ч при скорости диссипации турбулентной энергии в облаке

диссипации турбулентной энергии становится равной нескольким десятым м2/с3, может обеспечить эффективность соударения капель того же порядка, что и гравитационная коагуляция.

Н. А. Вагер [19] обнаружил прирост массы капель радиусом 2,1—2,3 мм при падении в камере с туманом, средний радиус ка­ пелек которого 10 мкм. Ганн и Хичфельд [320] получили согласие в пределах точности эксперимента между коэффициентом коагу­ ляции капель радиусом 1,6 мм с капельками тумана в камере и коэффициентом эффективности соударения, рассчитанным по Лэнгмюру. Коэффициент слияния принимался равным единице. М. А. Химач и Н. С. Шишкин [193] наблюдали в облачной камере рост радиусов капель от 25—30 до 400—500 мкм. Радиусы капе­ лек тумана находились в основном в пределах 5—15 мкм. Прини­ мая коэффициент слияния равным единице, они получили согласие

18

между теорией и экспериментом. Такие же эксперименты были выполнены Киндером и Коббом [361]. Они нашли, что эксперимен­ тальные значения больше вычисленных по Лэнгмюру для радиу­ сов между 150 и 500 мкм.1

Для преодоления трудностей, которые весьма велики при лабо­ раторных исследованиях коагуляции капель в воздухе, был поставлен ряд экспериментов (Сартор [494], Скотленд [508], В. Г. Хоргуани [194] и др.), в которых моделировались естествен­ ные условия. Пытались заменить водяные капли, падающие в воз­ духе, каплями разных жидкостей и металлическими шариками, падающими в вязкой жидкости.

Сартор [494] первым предпринял попытку исследовать грави­ тационную коагуляцию капель, моделируя условия их соударения. Для моделирования он выбрал падение капель воды в минераль­

пленки между каплями, препятствующей их слиянию при соуда­ рении. Он обнаружил засасывание капель в кильватерный след при их падении.

Скотленд [508] моделировал капли стальными шариками, а воз­ дух— раствором сахара в воде. Он получил значения коэффици­ ентов соударения для капель радиусом R от 10 до 22 мкм. Появление значений с /С>1 указывало на существование за­ сасывания верхней, меньшей капли в кильватерный след нижней, большей капли, что противоречит опытам Вудса и Мейсона [580], выполненным с капельками, падающими в воздухе.

Подобные эксперименты были выполнены В. Г. Хоргуани [194], причем капли моделировались стальными шариками, а воздух — глицерином. Он получил значения коэффициентов соударения для капель сопоставимых размеров. При r/R > 0,6 обнаруживалось засасывание в кильватерный след нижнего шарика, если верти­ кальное расстояние между ними составляет 8R—12R. Сближение шариков приводило к их вращению.

1.3. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛ НА КОАГУЛЯЦИЮ КАПЕЛЬ

Начало исследованиям влияния электрических сил на взаимо­ действие капель было положено в опытах по влиянию электриче­ ского поля на поведение струи. Обнаружилось, что капли при от­ рывании от струи получают заряды, которые обусловливают взаи­ модействие капель (Релей [479]).

В физике облаков вопрос о влиянии электрических сил на взаимодействие капель возник в связи с проблемой образования осадков. Ленард [392] предположил, что причиной существования недождящих облаков является неслияние облачных капель при

1 Надо, однако, отметить, что применявшиеся методы определения радиуса частиц не позволяют с высокой достоверностью сравнить результаты экспери­ мента и теории.

соударении друг с другом вследствие образования воздушной прослойки между ними. Он считал, что электрические силы взаи­ модействия зарядов на капельках способны преодолеть противо­ действие воздушной пленки. Точка зрения Ленарда на значение электрических сил в разрешении осадков стала общей, но претер­ пела видоизменение. Развитию этих представлений способствовала аналогия между поведением коллоидных частиц в жидкостях и облачных капелек. Так как устойчивость коллоидной системы в значительной степени определяется ее электрическими свойст­ вами, то возникло представление, что капельки устойчивых обла­ ков и туманов заряжены одноименными зарядами, вследствие чего они отталкиваются друг от друга и не сливаются. Когда облачные

Рис. 7. Взаимодействие двух проводящих сфер в электрическом поле.

капельки по какой-либо причине нейтрализуются или, по крайней мере, их заряды становятся малыми, начинается коагуляция, при­ водящая к образованию осадков.

Но вместе с этими представлениями возникла и их критика, которая основывалась на том, что электрические силы малы и проявляются только на весьма малых расстояниях между капель­ ками. Лишь в 50-х годах интерес к этим представлениям возро­ дился, и в первую очередь в связи с трудностями в объяснении причин роста капель радиусами от 5 до 20 мкм (см. раздел 1.2).

Для оценки сил, действующих между заряженными каплями, потребовалось решить задачу о взаимодействии заряженных ка­ пель, находящихся во внешнем электрическом поле. Наиболее полно такую задачу для двух проводящих заряженных сфер ра­ диусом г и Я с зарядами qT и qR, находящихся на расстоянии s друг от друга в однородном электрическом поле Е0, направление которого составляет угол ср с прямой, соединяющей центры сфер (рис. 7), решил Девис [274]. Для силы, действующей на сферу ра­

20

в точке А сферы радиусом г. Приводим это выражение для случая, когда поле параллельно оси, соединяющей центры сфер:

в однородном электрическом поле, растет весьма быстро при их сближении. Напряженность поля в промежутке между сферами

21