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

что физически невозможно.

Скорость падения снежных хлопьев определяется их массой и формой. Чем плотнее хлопья и чем ближе их форма к форме шара, тем с большей скоростью они падают.

Снегопад состоит не только из снежных хлопьев, но и из боль­ шого количества отдельных снежинок.

При объединении отдельных кристаллов в хлопья их скорость изменяется, причем в зависимости от характера зацепления ско­ рость может увеличиваться или уменьшаться. Например, если два плоских дендрита падают, соединившись большими поверхностями, их скорость падения увеличивается, если же они соединены кон­ чиками лучей, скорость падения уменьшается.

Теоретические оценки Ламба [256] показали, что скорость паде­ ния снежных хлопьев определяется их средней объемной плотно­ стью. Эти оценки были подтверждены непосредственными измере­

93

Хотя зависимость скорости снежных хлопьев в среднем удовлет­ ворительно описывается выражением (65), применять его для рас­ четов и практического использования неудобно. Объясняется это прежде всего тем, что плотность снежных хлопьев рхл непосред­ ственно не измеряется. Более удобно выражать скорость хло­ пьев в виде степенной функции от эквивалентного диаметра агре­ гата d, т. е. vsn = Bdv, где В и у — константы. По измерениям в раз­ личных районах величины констант достаточно близки друг к другу, особенно для хлопьев, состоящих из частиц одной и той же формы (табл. 19).

3.5. Обзерненные снежинки и крупинки

Снежные крупинки образуются при осаждении на базисный кри­ сталл переохлажденных капель облака. Степень покрытия крис­ талла каплями облака не имеет четко выраженных естественных границ. Приняты следующие приблизительные границы: кристалл не обзернен — на нем нет осевших капель или их количество не более четырех и кристалл обзернен — число осевших капель больше или равно пяти [310]. При этом различается три вида обзернения: слабое (форма базисного кристалла не искажена), среднее (форма базисного кристалла значительно изменена) и сильное (форму базисного кристалла определить невозможно) [30].

Облачные капли, прежде чем войти в соприкосновение с кри­ сталлом и замерзнуть, проходят пограничный слой воздуха с боль­ шим дефицитом влажности по отношению ко льду и энергично ис­ паряются. Капли диаметром 2—4 мкм испаряются, полностью не коснувшись поверхности кристалла [310].

Более крупные капли при приближении к кристаллу также ис­ паряются до тех пор, пока не замерзнут. Время замерзания капли

ется с понижением температуры) (табл. 20). Из-за большой ско­ рости замерзания и малой скорости соударения, облачные капли, оседающие на кристаллы, замерзают, не изменяя своей сфериче­

Для кристаллов правильной формы (шестигранные пластинки, столбики, иглы) можно рассчитать скорость осаждения капель об­ лака на базисный кристалл. Эти расчеты возможны на самом на­ чальном этапе осаждения, когда кристаллы еще не изменили своей формы, и на конечном этапе образования крупинок, когда крис­ таллы достигают формы, близкой к сферической.

94

Интенсивность осаждения капель облака на падающие кри­ сталлы характеризуется безразмерным параметром — коэффициен­ том захвата Е , определяемым как отношение числа сталкиваю­ щихся капель к общему числу капель, содержащихся в объеме, вырезаемом максимальным горизонтальным сечением кристалла при движении. Для пластинчатых ледяных кристаллов с макси­ мальным размером от 50 до 3000 мкм число Рейнольдса изменяется в пределах от 1 до 70. Для этого интервала значений Re методы расчетов осаждения капель на кристаллы неразработаны. Для вяз­ кого и потенциального обтекания зависимость коэффициента за­ хвата Е от безразмерного параметра Р, по данным ряда авторов, приведена на рис. 20 [71]. Параметр Р определяется формулой

ближе к вязкому, чем к потен­ циальному. По измерениям Стара и Мейсона [348] осаждение спор

растений радиусом 6,4 мкм на дисках диаметром 0,1 см происхо­ дит с коэффициентом захвата, равным 0,06; тогда как коэффи­ циент захвата при вязком обтекании при тех же условиях равен примерно 0,03, а при потенциальном — 0,4. Воспользоваться дан­ ными работы [348] для определения коэффициента захвата не пред­ ставляется возможным, ибо максимальный радиус спор, применя­ емых в экспериментах, не превышал 6,3 мкм, что меньше макси­ мального радиуса облачных капель, осаждающихся на кристаллы в естественных условиях [310].

Предлагаемые расчеты применимы к цилиндрам бесконечной длины. В реальных условиях коэффициент захвата существенным образом зависит от величины отношения hldr. Чем меньше эта ве­ личина, тем при прочих равных условиях меньше коэффициент за­ хвата [310]. Качественно расчеты подтверждаются непосредствен­ ными наблюдениями за степенью обзернения естественных кри­ сталлов (рис. 21). Обзернение кристаллов имеет место в том случае, когда их гексагональный диаметр становится более 60 мкм. При­ чем с ростом отношения h/dr вероятность появления обзерненных •.кристаллов увеличивается.

95

Расчеты коэффициента захвата возможны только для случаев движения с постоянной скоростью при строго определенной ориен­

к изменению скорости падения и ориентации.

т 0.) Из таблицы видно, что осевшие на цилиндр капли изменяют скорость его падения в 1,5 раза, когда масса капель становится равной первоначальной массе цилиндра (табл. 21). Так как капли обычно оседают достаточно равномерным слоем, то изменение ори­ ентации цилиндра не происходит. Кристаллы в виде игл, т. е. когда

96

длина цилиндра по крайней мере на порядок больше его диаметра, изменяют горизонтальную ориентацию на вертикальную в том слу­ чае, если на конец иглы оседает капля, масса которой составляет не менее lU части массы базисного кристалла. Вероятность такого вида захвата для условий, имеющих место в реальных облаках, менее 0,01 [193]. Однако кристаллы, обзерненные с одного конца, в естественных условиях наблюдаются [187].

в крупинку. Объясняется это большими значениями водности об­ лаков при небольших отрицательных температурах [187].

Кристаллы в виде диска незначительно изменяют характер дви­ жения при осаждении на крупные капли. Так, кристалл диамет­ ром 0,5 мм и толщиной 0,1 мм, имеющий массу 10 мг, начи­ нает описывать спираль, оставаясь ориентированным горизон­ тально при осаждении на капли диаметром 160 мкм. Так как захват разными частями диска облачных капель равновероятен, то в условиях, обычно наблюдаемых в облаках, изменения ориен­ тации и характера движения диска начинаются только при сильных обзернениях.

Коэффициент захвата определяется прежде всего размером капли, вероятность осаждения капель будет тем больше, чем больше диаметр капель. В результате распределение по размерам осевших на кристалл капель будет отличаться от распределения капель в облаке. Измерения показали [167, 310], что максимум распределе­ ния осевших капель приходится на диаметры 15—40 мкм, в то время как для зимних облаков с водностью 0,3 г/м3 максимум рас­ пределения приходится на диаметры 10—20 мкм [64]. Обзернение пластинчатых кристаллов может быть как односторонним, когда капли осаждаются только на одной какой-либо стороне кри­ сталла, так и многосторонним, когда капли осаждаются на всех гранях.

Для образования двухстороннего обзернения совершенно не обязательно, чтобы кристалл вращался во время падения. Наблю­ дения на моделях [348] показали, что при Re>20 количество частиц, осевших на заднюю (по отношению к направлению движения) сторону диска, составляет 0,3-—0,5 от количества частиц осев­ ших на переднюю сторону. Однако, по-видимому, на задней поверх­ ности оседают только мелкие капли (г< 6 мкм), которые испаря­ ются, не успев замерзнуть, ибо в основном (94% случаев) при сла­ бом обзернении оно одностороннее. По данным Заморского [30],