Файл: Литвинов, И. В. Структура атмосферных осадков.pdf

У Д К 551.578

7 - Ч -

В монографии сделан обзор применявшихся- в последние 20 лет методов исследования пара^, метров твердых и жидких частиц осадков ц.

зультатов их измерения. Рассмотрены свойства как отдельных частиц (форма, скорость падения, внутренняя структура), так и коллектива (рас­ пределение по массам и размерам).

Приведены обобщенные результаты исследо­ ваний изменения отдельных частиц и их сово­ купности за счет конденсации, коагуляции с кап­

и активных воздействий, и может служить спра­ вочным пособием при рассмотрении прикладных задач.

The monograph is a review investigation me­ thods of solid and liquid particles of parameters used in last 20 years and the results of its measu­ rement. Not only the qualities of separate particles are revised (such as form, speed of falling, inner

ticles investigations and their combination on ac­ count of condensation, coagulation with cloud drops and each other, melting, evaporation and

as a hand—book while working with operational problems.

ВВЕДЕНИЕ

Наблюдения за частицами атмосферных осадков, особенно за твердыми (снежинки, градины), ведутся на протяжении уже мно­ гих веков. Однако только в последние десятилетия, наряду с опи­ санием различных форм снежинок и градин и общим рассмотре­ нием вопроса о форме и свойствах частиц, стали проводиться ин­ струментальные наблюдения и измерения. Завершающей работой «описательного» плана является монография А. Д . Заморского [30], в которой систематизированы данные визуальных наблюде­ ний за частицами твердых осадков. Изучение частиц жидких осад­ ков (капли дождя), их массы, скорости падения, формы началось сравнительно поздно, в конце X IX в. Однако с 40-х годов, т. е. со времени развития радиолокации, исследования атмосферных осад­ ков стали бурно развиваться. В настоящее время объем сведений

оразличных параметрах жидких осадков значительно больше, чем

отвердых.

Развитие метеорологии, радиометеорологии, физики облаков и активных воздействий потребовало детального исследования структуры как самих частиц осадков, так и их распределения, ибо эти величины отражают процессы осадкообразования в облаках и являются своеобразным итогом жизнедеятельности облака.

Из-за методических трудностей, связанных с отбором матери­ ала, и изменчивости атмосферных осадков по количеству и по виду выпадающих частиц многие инструментальные наблюдения оказа­ лись малосопоставимыми друг с другом.

Так как эти вопросы начинают привлекать все большее вни­ мание, то, по-видимому, является целесообразным обобщить на­ копленный опыт инструментального исследования параметров как твердых, так и жидких частиц осадков.

Во многих случаях большой интерес представляют не только сами результаты наблюдений, но и методы их получения, так как на первом этапе инструментальных наблюдений из-за несовершен­ ства аппаратуры или методики измерения многие результаты ока­ зались искаженными.

В работе собраны и обобщены сведения о методике и результа­ тах измерений различных параметров частиц осадков. В основном рассмотрены результаты, полученные за последние 20 лет, когда методика измерений достигла определенного прогресса и стали

Г л а в а 1

АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТИЦ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ

1.1. Исследования отдельных капель дождя и их совокупности

Изучение дождевых капель проводится как на естественных объектах — природных каплях дождя, так и на искусственных, по­ лучаемых тем или иным способом в лабораторных условиях. Для получения капель в лаборатории обычно используют капель­ ницы различной конструкции. Наиболее простые капельницы—

меньшего размера вследствие сил поверхностного натяжения про­ извольно за счет собственного веса не отрываются от капилляра, а большие капли отрываются слишком быстро. Для облегчения отрыва капель от капилляра последний помещают в центре ци­ линдра, где создается поток воздуха, направленный вдоль линии отрыва. Этим методом можно значительно уменьшить нижний пре­ дел размеров получаемых капель (до 0,4—0,5 мм) [172]. Несколько иная конструкция капельницы была предложена Рилом и Халлетом [324]. В их установке капли заданного размера выращивались на конце капилляра. Отрыв капель происходил за счет импульс­ ного потока воздуха. Размер капель определялся напором воды, а частота сброса капель — частотой импульсов воздушного потока. При помощи этой установки удавалось получить капли диаметром 0,45—2,00 мм. Разброс размеров не превышал 1,5% для капель ди­ аметром 0,45 мм и 0,5% для капель диаметром 1,80 мм. Анало­ гичный результат получается, когда внутрь капилляра помещается пьезовибратор [131].

В настоящее время широкое распространение получили чисто вибрационные способы получения капель [88, 170]: капилляр поме­ щается на якоре, который с помощью электромагнита приводится в колебательное движение. Меняя амплитуду и частоту колебания, а также скорость подачи воды и диаметр капилляра, можно полу­ чить капли в широком диапазоне размеров. Преимущество двух

5

последних способов заключается в возможности получения боль­ шого количества капель с заданной частотой. Применяя несколько аналогичных устройств н питая их током с заранее заданным сдви­ гом фаз, можно получить серин капель через различные интервалы времени и, следовательно, летящие на различном расстоянии друг от друга. Последнее особенно ценно при исследовании взаимодей­ ствия капель. Для получения отдельных больших дождевых ка­ пель (rf>3 мм) вышеприведенные способы непригодны, так как капли, не достигнув больших размеров, соскальзывают с капил­ ляра под действием силы тяжести. При этом наряду с большой каплей образуется меньшая или даже несколько небольших ка­ пель за счет разрыва «мостика», тянущегося за большой каплей при ее отрыве от капилляра. Большие капли можно получить, на­ капливая воду на краю пластинки, имеющей небольшое углубле­ ние. При накоплении некоторого количества воды она «перевали­ вается» через край [272]. Бланчард [108] получал капли диаметром до 9 мм при помощи специальной пипетки. Капельница состояла из трубки диаметром 7,5 мм, которая снизу закрывалась пористым стеклянным плоским фильтром, а на верхнюю часть трубки наде­ вался резиновый баллончик. Образование больших капель = 8 мм) происходило при сдавливании баллончика. Для получения

капель еще большего размера одновременно с надавливанием на баллончик все устройство необходимо опускать вниз, чтобы предотвратить распад образующейся капли.

Образующиеся искусственные капли при отрыве от капилляра имеют неправильную форму и сильно вибрируют. Вибрации при падении капель в нетурбулизпрованном воздухе постепенно зату­ хают. При отрыве от капилляра капли увеличивают свою ско­ рость, приобретая со временем так называемую установившуюся скорость падения. Путь, проходимый каплями до приобретения ими 97—99% установившейся скорости, определяется их диаметром [130, 237]. Для капель диаметром 1,5 мм этот путь равен примерно 4 м, для капель диаметром 5 мм — 20 м.

Естественные и искусственные капли после приобретения ими установившейся скорости падения несколько меняют свою форму. Для изучения изменения формы капель под действием различных сил (сопротивления воздуха, встречи с препятствием или другой каплей) широко используют метод их фотографирования при им­ пульсном освещении [82, 83, 138, 170, 225, 254, 272, 291]. Четкое изображение получается при фотографировании капель на фоне ярко освещенного экрана с небольшой боковой подсветкой. При съемке в отраженном свете за счет его преломления на выпуклой поверхности капли на снимках четко выделяются только отдель­ ные части капель или в лучшем случае их контуры.

По фотографиям в ряде случаев можно достаточно точно опре­ делить объем капель, а следовательно, и вес, так как содержание примесей в дождевой воде невелико (доли процента) и не оказы­ вает заметного влияния на удельный вес воды. При стробоскопи­ ческом освещении или высокоскоростной съемке удается получить

6

серию фотографий через короткие интервалы времени, по которым можно делать заключение об изменении во времени формы капель, поведении капель при соударении друг с другом или с препятст­ вием [185, 252, 291, 360].

Для определения объема капель применяется метод, основан­ ный на улавливании капель в кюветы с вазелиновым или 'касто­ ровым маслом [3, 13, 172]. Берется слой масла толщиной 6—8 мм, так что даже самые большие капли оказываются полностью в него погруженными. Из-за разности в удельном весе масла и воды большие капли несколько сплющиваются. Горизонтальный размер капель в масле определяется с помощью микроскопа; для опре­ деления вертикального размера рядом с каплей помещают не­ большую призму полного внутреннего отражения, через которую получают изображение капель сбоку. В ряде случаев размер ка­ пель измеряют по их фотографиям. Оба эти метода являются аб­ солютными. Все другие методы или устройства, предназначенные для определения массы капель (подробно о них будет сказано ниже), являются не абсолютными, а требуют градуировки, которая выполняется при помощи капель воды заданной массы, стеклян­ ных, пластмассовых или стальных шариков.

Скорость падения капель воды определяется или при помощи метода подвешивания их в потоке воздуха с известной ско­ ростью [100, 241] или по времени пролета каплями различного расстояния [172, 237, 334]. Устройство для определения ско­ рости падения водяных капель, предложенное Шмидтом, состояло из двух дисков, расположенных на одной вертикальной оси и вра­ щающихся с постоянной скоростью. Через щель в верхнем диске капли падали на нижний, по отклонению отпечатка капли на ниж­ нем диске от ортогональной проекции на него щели верхнего диска определялось время пролета капли и ее скорость. Для более точного определения времени пролета и скорости падения капель рядом исследователей применялось фотографирование через рав­ ные промежутки времени [82, 83, 237]. Этот метод позволяет опре­ делить скорость падения и форму падающих капель.

Наиболее совершенным методом, пока непревзойденным по точ­ ности, является метод индукционных колец, предложенный Ган­ ном и Кинцером [172]. В этих измерениях искусственно заряжен­ ные капли пролетали через кольца и наводили на них заряды. Скорость падения вычислялась по разности времени между появ­ лением импульсов на двух кольцах, расстояние между которыми 130 см. Этот метод позволил провести измерения с высокой точ­ ностью (ошибка измерения составляла не более 0,7%).

Для измерения температуры капель в настоящее время пред­ ложено два метода: подвешивание капли на термопаре и опти­ ческий метод. Подвешивание капель на термопаре, состоящей даже из очень тонких проводов, вносит некоторые изменения в ее температурный режим. Термопара образует некоторую твердую основу, препятствующую вибрации капель и циркуляции внутри капли воды. Поэтому условия, при которых измеряется температура,

7