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

несколько отличаются от естественных. Точность измерения температуры подвешенной капли может быть не менее 0,1° С. Опти­

направляется в микрокювету, наполненную дистиллированной во­ дой при определенной температуре [212]. В том случае, когда тем­ пература капли и воды в кювете одинаковая, упавшая туда капля не вызывает оптических неоднородностей, регистрируемых обыч­ ными методами. Точность измерения температуры не очень высока, примерно 0,3—0,5° С.

Для изучения испарения капель — изменения их диаметра во времени — капля «подвешивается» на тонкой нити в восходя­ щем воздушном потоке или просто падает в невозмущенном воз­ духе.

Наиболее надежным методом измерения размеров является фотографирование капель в начале и конце пути свободного паде­ ния в пространстве с заданными свойствами [212]. Таким спосо­ бом исследовалось испарение мелких капель (от 0,01 до 0,14 мм), когда скорость их падения еще мала. Для более крупных капель от 0,04 до 1 мм применялась аппаратура, основанная на измере­ нии времени пролета предварительно заряженной капли через систему индукционных колец. Размер капли в этом случае опреде­ лялся, исходя из конечной скорости ее свободного падения, а ко­ личество испарившейся жидкости — по изменению скорости. Капли диаметром от 0,8 до 4,5 мм поддерживались во взвешенном состоянии внутри конических трубок, имеющих диаметр в узкой части несколько больший, чем диаметр капли. При вытягивании воздуха через верхнюю часть трубки капля занимала определен­ ное положение в ее центре, где и проводилось определение ее раз­ мера. Капли диаметром от 4 мм и выше поддерживались во взве­ шенном состоянии в свободном вертикальном потоке. При подвешивании капли на нити условия ее испарения отличаются от условий испарения свободно падающей дождевой капли, ибо воз­ можности для вращения и вибраций капли ограниченны. Кроме того, трудно на всех этапах испарения поддерживать скорость воздуха, соответствующую скорости падения капли в воздухе. Поэтому результаты исследования этим методом отличаются от других, более надежных, основанных на измерении испарения капель при свободном падении.

Дожди, как правило, состоят из капель различной величины, причем одновременно могут выпадать капли от 0.5 до 6—8ж или капли, занимающие какую-то часть диапазона. Размеры капель дождя вследствие деформации их формы принято характеризовать эквивалентным диаметром d, т. е. диаметром сферической капли, имеющей ту же массу.

Распределение совокупности капель по эквивалентным диамет­ рам описывается либо кривой плотности распределения, либо кри­ вой счетного распределения частиц по размерам, при этом коли­ чество капель в единице объема воздуха р (d) и количество ка­

8

[361] предложил так называемый метод фильтровальной бумаги. Листы фильтровальной бумаги, покрытые порошком красителя, вы­ ставляются на некоторое время на дождь. Капли дождя оставляют на бумаге отпечатки, диаметр которых пропорционален их массе. Этот метод без существенных изменений применяется и в на­ стоящее время. Его преимущество — простота сбора и наглядность получаемого материала.

Эквивалентный диаметр капли d связан с диаметром отпечатка Da соотношением d = kDa:\ где k — постоянная, определяемая тол­ щиной бумаги.

Отпечатки на лицевой и обратной сторонах бумаги разные, так как вода распределяется не в виде цилиндра с диаметром D n, а в виде усеченного конуса. Это обстоятельство особенно необхо­ димо учитывать при использовании толстых бумаг и при измере­ ниях мелких капель, когда диаметр отпечатка сравним с толщиной бумаги [52]. Ввиду отличия экспериментальных значений функции d (Da) от теоретических, вычисленных с учетом постоянства коэф­ фициента /г, для получения точных данных бумагу необходимо гра­ дуировать во всем диапазоне значений d [191, 270]. При тщатель­ ной градуировке и работе с одним сортом бумаги точность в опре­ делении диаметра капли не ниже ±4% [77].

Для получения распределения капель по размерам подсчитыва­ ется число отпечатков в заданных интервалах размеров через 0,10, 0,25 или 0,50 мм. Для подсчета удобно пользоваться гребен­ кой с контактами, соединенными с механическим счетчиком им­ пульсов [24, 25]. Обработка бумаги существенно облегчается, если в качестве электрода применять грифель карандаша, которым по­ сле измерения перечеркивают отпечаток.

Методика получения проб и их обработка, хотя и очень проста, но громоздка, поэтому некоторые авторы разработали устройство, несколько автоматизирующее этот процесс. Так, Кооп [229] пред­ ложил над круглым мостом фильтровальной бумаги медленно пе­ редвигать щель с помощью часового механизма и тем самым по­ лучать изменение распределения во времени. Эта система пригодна только для дождей небольшой интенсивности ( < 1 мм/час). При более интенсивном дожде бумага быстро заливается водой.

Боуен и Дэвидсон [189] предложили устройство, состоящее из горизонтальной аэродинамической трубы и лентопротяжного меха­ низма. В верхней части горизонтальной аэродинамической трубы находится неподвижная приемная щель (перпендикулярно к оси трубы), через которую капли попадают внутрь системы. За счет разной конечной скорости падения капель они по-разному отклоня­ лись воздушным потоком (мелкие больше, крупные меньше). В районе падения капель на нижнюю стенку трубы помещался ме­ ханизм, передвигающий широкую ленту фильтровальной бумаги

9

(перпендикулярно к оси трубы). В результате на бумаге отпечатки сортировались по размерам.

При помощи предложенного устройства имеется возможность производить оперативный качественный анализ изменения распре­ деления по размерам во времени, однако этот метод не имеет за­ метных преимуществ при детальной обработке, т. е. при подсчете отпечатков на бумаге. К недостаткам прибора следует отнести его громоздкость и неустойчивую работу при ветре. Метод предвари­ тельной сортировки капель не получил распространения, однако устройство для автоматического экспонирования ленты фильтро­ вальной бумаги было в дальнейшем использовано в приборах, где участки ленты экспонировали последовательно по всей длине [39, 67, 167, 233].

Общий принцип работы приборов этого типа основан либо на медленном равномерном перемещении лепты фильтровальной бу­ маги под щелью, либо на периодическом передвижении ленты и ее последовательном экспонировании. В приборе В. П. Копылова и И. В. Литвинова [39] ширина ленты 18 см, длина кадра 9 см, время между отдельными экспозициями 1 мин, время экспозиции одного кадра 3—4 с.

Метод фильтровальной бумаги может быть использован для получения распределения частиц осадков с борта самолета [113]. Однако из-за большой скорости поступления капельной влаги на ленты фильтровальной бумаги и разбрызгивания капель при ударе использование метода ограниченно; его можно применять только для-дождей слабой интенсивности.

Вместо фильтровальной бумаги можно использовать любой дру­ гой гигроскопический тонкий материал. В. В. Костырев пред­ ложил применять тонкий неаппретированный батист, который натя­ гивался на рамку с подложкой из полиэтиленовой пленки [28]. Этот метод обладает тем преимуществом, что при его использовании уменьшается разбрызгивание крупных капель.

В качестве подложки для сбора капель некоторое время ис­ пользовали листы фотобумаги или ленты фотобумаги [219, 224, 271, 340] и обратимой фотопленки [327]. На обработанной особым образом эмульсии капли воды оставляют четкие отпечатки. При­ менение этой методики ограниченно, ибо крупные капли легко раз­ брызгиваются. Методика градуировки и обработки листов фото­ бумаги и фотопленок такая же, как и листов фильтровальной бу­ маги.

Модификацией метода фильтровальной бумаги является уст­ ройство, предложенное Фудзивара [154, 156]. Лента бумаги сразу же после экспозиции протягивалась между валиками. Когда ме­ жду валиками проходил мокрый участок бумаги, электрическое со­ противление между ними уменьшалось. Зная скорость движения бумаги и время уменьшения сопротивления цепи, можно опреде­ лить диаметр отпечатка. Основной крупный недостаток этого ме­ тода заключается в малой скорости измерения. Для получения большого количества капель, достаточного для измерения распре­

10

деления по размерам, необходимы длительные экспозиции. Такой прибор дает возможность определять, является ли дождь в данный момент мелкокапельиым или крупнокапельным, и в лучшем случае получить усредненное распределение за весь дождь.

Если в дождях преобладают крупные капли (обычно это дожди большой интенсивности), измерение спектров при помощи метода фильтровальной бумаги сопряжено с рядом чисто технических трудностей. Капли при ударе о поверхность бумаги расплю­

ошибки при определении диаметров мелких капель, так как по­ следние или пролетают сквозь сетку, или застревают в ней, причем учесть влияние этого эффекта затруднительно.

Одним из абсолютных методов измерения распределения ка­ пель по размерам является улавливание их в кюветы со слоем ма­ сла толщиной 5—6 мм. Капли при падении в масло не разбрызги­ ваются II принимают определенную форму, что позволяет непосред­ ственно измерять их диаметр при помощи микроскопа [3, 13]. Обычно вместо непосредственного измерения капли в кюветах фо­ тографируют и далее измеряют их изображения на фотографиях. Хотя этот метод обладает высокой точностью, для массового из­ мерения он мало пригоден из-за громоздкости.

Если масло с уловленными каплями протягивать через капил­ ляр, имеющий электрические контакты, то диаметры капель можно определять по времени понижения сопротивления между кон­ тактами [101]. Этот метод обладает тем же недостатком, что и метод, основанный на измерении времени прохождения пятна на листе фильтровальной бумаги.

Один из методов измерения распределения капель по размерам (метод порошка) предложил Бентли [102]. Согласно его методу, капли улавливаются в кюветы с мукой, где они образуют «ка­ тышки». Затем кюветы нагреваются, а спекшиеся катышки сортиру­ ются по размерам с помощью набора сит. Этот метод также не получил распространения из-за громоздкости.

В 1925 г. Шиндельхауер предложил микрофонный метод изме­ рения распределения капель [331]: масса капель определялась по величине импульса, образуемого при ударе капли о мембрану ми­ крофона. На основе этого были созданы приборы для измерения распределения капель с поверхности земли [201], с аэростата [133]

11