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

V с ч/с

180

160

ПО

Две снежинки, имеющие форму шестигранников и находящиеся па расстоянии порядка гексагональных диаметров, догоняют друг друга и затем падают вместе. Крупные пластинки (R e> 100) при совместном падении могут образовывать «бабочку», один диск при этом располагается горизонтально, а два других своими краями касаются друг друга и центра горизонтального кристалла, нх пло­

они меняют свою ориентировку и падают так, что их высота распо­ лагается горизонтально. При Re<50 кристаллы падают стабильно, но при больших значениях Re начинаются колебания, что связано с появлением и отрывом вихрей.

Кристаллы игольчатых и столбчатых форм диаметром от 0,01 до 0,1 мм, первоначально находящиеся на расстоянии порядка 50 диаметров, при падении соединяются друг с другом: два кристалла соединяются под прямым углом, при трех кристаллах— два па­ раллельно рядом, а третий — перпендикулярно этим двум. В есте­ ственных условиях имеет место самая различная ориентация двух или большего количества кристаллов. Объясняется это прежде всего тем, что даже правильные шестигранники и шестигранные пластинки имеют несимметричные отклонения.

3.3. Снежинки сложной и неправильной формы

Снежинки типа звезд, звездчатых и пластинчатых батарей, зве­ здчатых, пластинчатых запонок, хотя и состоят из частей правиль­ ной формы, имеют достаточно сложное строение, вследствие чего для их всестороннего описания в общем случае необходимо боль­ шое количество параметров. Так как у снежинок сложных форм нет естественных критериев, позволяющих тот или иной параметр принять за основной, а все остальные рассматривать как вспомога­ тельные, то снежники сложных форм обычно описывают одним из параметров — максимальной длиной, диаметром описываемой сферы или осями описываемого эллипсоида. При этом отдельные отростки, существенно изменяющие общий вид снежинки и мало влияющие на массу и скорость падения, во внимание не принима­ ются. Подобное упрощение позволяет достаточно просто сопостав­ лять форму и характерный размер снежинок с плотностью, массой, скоростью падения и выводить основные соотношения.

Характерной формой снежинок сложной формы являются «зве­ зды», представляющие собой симметричные шестилучевые плоские кристаллы (тип Р, исключая Ріа, Рба и Р6Ь (см. рис. 12). Частицы этого вида отличаются сложностью и, хотя по своей структуре звезды симметричны, их детальное описание не может быть осуще­ ствлено при помощи разумно ограниченного числа параметров.

Форма лучей у звезд очень разнообразна — от иголок (иголь­ чатая звезда) до пластинок (пластинчатая звезда). Из-за многооб­ разия снежинок, имеющих форму звезд, нх часто подразделяют на большое число видов и подвидов, однако из-за отсутствия четких

85

естественных границ между звездами различного вида такое под­ разделение вряд ли оправдано.

Звезды образуются в области температур — 13, — 17° С при среднем п сильном пересыщении, и усложнение их формы проис­ ходит при падении через нижележащие слои облака, где' дальней­ ший рост происходит на концах лучен в виде секторных пластинок, призм и игл. Рост кристалла в различных зонах продолжается на концах лучен или на ответвлениях лучей, что вызывает появление многообразнейших разновидностей кристаллов.

На целесообразность объединения всех плоских звезд в одну группу указывает сходство основных параметров у звезд различ­ ного внешнего вида. Так, например, зависимость между толщиной II гексагональным диаметром у звезд, имеющих широкие пластин­ чатые и игольчатые лучи, а также у звезд с пластинками на кон­ цах и с секторными концами одна и та же и равна

Л=2,028я,г’431. (53)

Это соотношение близко к аналогичному для гексагональных пла­ стинок с небольшими лучами (Р2с):

Соотношение между Іі и dr для снежинок плоских форм без под­ разделения по типам и видам может быть описано соотношением

которое объединяет шестигранные пластинки, пластинки с сектор­ ными ответвлениями, пластинки с игольчатыми п секторными лучами, плоские звезды с широкими лучами, звезды с пластинками и секторами на концах, плоские дендриты, звезды с папоротнико­ образными лучами, четырехлучевые звезды и звезды с 12 лучами. При одном и том же гексагональном диаметре толщина кристалла лежит в пределах h( 1—0,4)—Л(1+0,4), причем величина Іі внутри этого интервала равновероятна [95]. (Величины h и dr в мкм.)

Масса снежинки звездчатой формы, естественно, зависит от ее формы, ибо чем меньше ширина лучей, тем при том же диаметре меньше масса.

Так как толщина лучей меняется от основания к концам, то для вычисления массы звезд необходимы измерения большого количе­ ства различных параметров, что трудно осуществить практически. Минимальный гексагональный -диаметр звезд равен 0,3 мм [167], максимальный достигает 9 мм (по наблюдениям в предгорьях Кав­ каза) .

Площадь кристаллов звездчатых форм значительно меньше пло­ щади описанного круга (табл. 15). Поэтому кристаллы этого вида, несмотря на большие размеры, имеют небольшую массу и скорость падения.

Связь массы звездчатых кристаллов с их линейными размерами, по данным работ [10] и [298], приведена на рис. 16. Как н следовало ожидать, при тех же размерах массы звезд с развитыми развет-

■86

вленнымн пластинчатыми лучами в несколько раз меньше массы

пластинчатых звезд.

Таблица 15

Значения коэффициентов, используемых для вычисления отношения площади

поперечного сечения звездчатых кристаллов s к площади описанного круга s0 (s/s0=Adr + B) '[94]

Ввиду многообразия встречаемых в естественных условиях звездчатых кристаллов и отсутствия естественных критериев для выделения различных групп и подгрупп любое соотношение между массой снежинок и их линейными размерами будет достаточно субъективно. Нетрудно видеть, что, хотя характер связи между массой и размерами снежинок один и тот же, конкретные значе­ ния параметров существенно разные. Так, для звезд с развитыми разветвленными пластинчатыми лучами

где т в граммах и dr в миллиметрах, а для пластинчатых звезд

Для звездочек с развитыми разветвленными пластинчатыми лу­ чами в первом приближении можно предложить выражение

Пластинчатые звезды и сильно разветвленные дендриты имеют тот же характер падения, что и шестигранные тонкие пластинки.

87

В основном все звезды, кроме самых больших (dr> 5 мм), падают, ориентируясь горизонтально. Частицы большого размера при со­ хранении среднего горизонтального-падения колеблются вдоль од­ ного из диаметров пли прецессируют. Особенно большие и тонкие звезды, так же как н плоские пластинки, начинают парить, описы­ вать спирали большого диаметра или вращаться вокруг вертикаль­ ной оси. Вследствие сильно разветвленной поверхности н малой массы звездчатые кристаллы имеют наименьшую скорость падения по сравнению со всеми остальными кристаллами той же массы. Наименьшую скорость падения имеют звезды с развитыми развет­ вленными пластинчатыми лучами (РІЬ).

Некоторое время существовало мнение, что скорость падения звезд не зависит от их диаметра [64]. Однако более поздние наблю­ дения опровергли это мнение. Оказывается, чем больше диаметр частицы, тем при прочих равных условиях больше скорость падения.

Пластинчатые звезды (Р 1с) и тонкие шестигранники (Nie) имеют одну и ту же зависимость скорости падения от гексагональ­

где ис в см/с, a dr в мм (рис. 18). Для звезд с развитыми слаборазветвленнымн и неразветвлениыми пластинчатыми лучами (Plc) за­ висимость скорости от гексагонального диаметра описывается вы­ ражением

для звезд с развитыми разветвленными пластинчатыми лучами

В облаках при определенных физических условиях идет форми­ рование частиц вполне определенной формы. Однако в снегопадах большое количество частиц имеет сложную, неправильную форму. Главным механизмом образования частиц сложной неправильной формы является рост кристаллов на зародыше, состоящем из не­ скольких отдельных кристаллов. Так как каждый кристалл ориен­ тирован самостоятельно, то происходит формирование сложных не­ симметричных пространственных образований. Кроме того, капли •облака, осевшие на кристалл и замерзшие на нем, дают начало росту новых кристаллов, которые, вырастая в произвольном месте основного базисного кристалла, могут полностью изменить перво­ начальную форму гидрометеора. При этом образуются столбчатые и пластинчатые ежи, пушинки и бесформенные кристаллы.

Характер замерзания капель после осаждения на поверхность кристалла существенным образом зависит от температуры окру­ жающего воздуха. При температуре —5° С капли, диаметром от 20 до 100 мкм при замерзании образуют один кристалл с таким же расположением осей кристаллической структуры, как у подложки.

↔8