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

В данном случае усложнение формы будет незначительным, ибо рост нового кристалла будет происходить совместно с ростом ба­ зисного [275]. При замерзании капли, осевшей на кристалл, при температуре —30° С в пей образуется большое количество от­ дельных кристаллов с различной ориентацией осей. В промежу­ точной области температур при замерзании капель образуются кристаллы как с упорядоченной, так н с произвольной ориента­ цией осей.

Различный характер замерзания зависит не только от темпера­ туры, мо II от диаметра осаждающихся капель. Чем больше диа­ метр капель, тем больше вероятность образования полнкрпсталлпческой структуры или произвольной ориентации осей [275].

Ориентация падения снежинок сложной неправильной формы может быть самой произвольной и определяется соотношением раз­ меров и масс отдельных элементов. Соотношение между макси­ мальными размерами и массой снежинок для некоторых сложных форм приведено на рис. 16 (C P la, R3b, R7b). Из-за небольшого количества данных и малого изменения характерных размеров ана­ литическая зависимость типа mc (dr) или тс (Іі) может служить только в качестве первого приближения. Для пуль с небольшими пластинками у основания (СР) при /г>2 масса в мг равна:

в центре ЕТС, являются по сути дела только иллюстративным ма­ териалом (см. рис. 18) [10].

Снежинки неправильной формы при падении несколько меняют свою ориентацию (вращаются или описывают спирали). В резуль­ тате скорость их падения изменяется. Согласно измерениям, при средней скорости падения 91,7 см/с на отдельных участках пути снежинка двигалась с минимальной скоростью 74,1 см/с и макси­ мальной 100,9 см/с. Для 17 отдельных измерений величина квадра­ тичного отклонения скорости составляла 0,42—4,5 см/с. Наряду с вертикальной составляющей скорости снежинки имели п горизон­ тальную составляющую, средняя величина которой была 8,4 см/с

89

при экстремальных значениях и среднем квадратичном отклонении 4,3, 12,5 и 3 см/с соответственно.

Для 97 снежинок различной неправильной формы распределе­ ние средних квадратичных отклонений горизонтальных и верти­ кальных составляющих приведено в табл. 16.

Т а б л и ц а 16

Повторяемость (%) величин средних квадратичных отклонений о для горизонтальной и вертикальной составляющих скорости падения снежинок

неправильной формы [342]

3.4. Снежные хлопья

Снежные кристаллы формируются преимущественно в верхней части облака. Падая в облаке, кристаллы растут как за счет кон­ денсации, так и за счет коагуляции, превращаясь в кристаллы разного вида. При осаждении капель облака на кристалл обра­ зуются обзерненные формы кристаллов и крупинки, при соединении с другими кристаллами — снежные хлопья. Снежные хлопья под­ разделяются по четырем основным признакам: форме, ориен­ тации при падении, виду кристаллов в хлопьях и характеру зацеп­ ления кристаллов [279]. Форма снежных хлопьев может быть самой разнообразной — от более или менее правильных сфер и сфероидов, до агрегатов неправильной формы с отдельными длинными отрост­ ками. При падении большие хлопья часто принимают вид полу­ сфер, обращенных выпуклой стороной вниз. Обычно хлопья пред­ ставляют собой вытянутые образования неправильной формы, имеющие самую произвольную ориентацию, от горизонтальной до вертикальной. Преимущественной же ориентации хлопьев в снего­ паде не обнаружено. При падении хлопья, как правило, колеб­ лются или вращаются вокруг вертикальной оси.

Хлопья, состоящие из кристаллов одного вида, — явление редкое; как правило, они включают в себя частицы самого различного вида. Объясняется это тем, что снегопады, в которых вероятность образования хлопьев наибольшая, т. е. снегопады большой интен­ сивности, выпадают из более мощных облаков, где встречаются са­ мые различные сочетания температуры и пересыщения и поэтому образуются частицы самой различной формы.

Наблюдения в Японии [279] показали, что наиболее часто выпа­ дают хлопья, состоящие из плоских и пространственных звезд, про­

90

странственных звезд и запонок, плоских звезд и запонок. По на­ блюдениям в центре ЕТС [30] в снегопадах могут встречаться са­ мые различные сочетания.

Способность снежинок объединяться в хлопья тесным образом связана с видом частиц, их количеством и степенью обзернения. Сильно обзерненные частицы и крупинки при соприкосновении друг с другом в воздухе с отрицательной температурой агрегатов не образуют, при положительной температуре мелкие, частично подта­ явшие крупники слипаются п в дальнейшем при полном таянии об­ разуют одну крупную каплю. Естественно, чем больше частиц нахо­ дится в единице объема воздуха, тем больше вероятность их столк­ новения и образования агрегатов [30] (табл. 17). В очень слабых снегопадах хлопья встречаются в 14% случаев, в сильных — в 92%.

Не каждое столкновение твердых частиц приводит к их меха­ ническому соединению. В зависимости от формы частиц, темпера­ туры и влажности окружающего воздуха коагуляция их будет происходить по-разному. Из наблюдении в центре ЕТС [30] сле­ дует, что главная роль при слипании снежинок принадлежит не ме­ ханическому захвату, а смерзанию или слипанию частиц при со­ ударении (табл. 18). В противном случае наибольшая повторяе­ мость хлопьев наблюдалась бы у звезд.

В зависимости от формы соприкасающихся частиц сила сцеп­ ления (сваривания) будет разная. Для случая сфер диаметром 15 мм, согласно измерениям Хослера и др. [188], сила сцепления пропорциональна температуре и относительной влажности. Если окружающий воздух находится в состоянии насыщения по отноше­ нию ко льду, сила сцепления довольно значительна и существенно зависит от температуры, плавно убывая с ее понижением. При уменьшении влажности воздуха сила сцепления резко падает и уже при температуре —4° С становится равной нулю.

Из этих наблюдений следует, что интенсивность образования агрегатов зависит от температуры. При Г < —25° С сваривание снежных кристаллов не происходит, а появление хлопьев может

91

быть обусловлено только механическим захватом, т. е. проникно­ вением одной ветвистой структуры в другую. Однако при Т < —25° С происходит образование кристаллов столбчатых форм, т. е. кри­ сталлов, не имеющих ветвистых лучей. Не должно происходить об­ разование хлопьев и при относительной влажности воздуха мень­ шей, чем равновесная влажность у поверхности льда. Однако при пересыщении по отношению ко льду образование агрегатов проис­ ходит практически при любых температурах. Гигантские хлопья, имеющие диаметр до нескольких сантиметров, наблюдаются при

Т^ 0 н в безветренную погоду [30, 92, 93, 94]. Вероятно, это связано

стем, что на образование хлопьев существенное влия­ ние оказывает турбулент­ ность воздуха.

Плотность снежных хло­ пьев характеризуется сред­

вызвано различием в методике измерения. В работе И. В. Литви­ нова [50, 51] за объем снежного агрегата принимался объем сфери­ ческого эллипсоида, оси которого были равны вертикальному и двум взаимно перпендикулярным размерам эллипсоида, описанного

плотности хлопьев по данным Литвинова меньше, чем по данным измерений в Японии. И. В. Литвинов определял размеры осей эл­ липсоида по фотографиям свободно падающих частиц, при этом горизонтальные размеры принимались равными друг другу и види­ мому. В работе Магоно и Нукамура за объем агрегата также при­ нимался объем описываемого эллипсоида, однако размеры осей определялись по форме отпечатков, оставляемых агрегатом при его выпадении па твердую подложку. Поэтому большие значения плот­ ности в их работе частично объясняются тем, что при падении на твердую подложку агрегаты несколько деформируются, и их плот-

92