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

в естественных условиях задняя сторона обзерненного кристалла также имеет шероховатую поверхность, что является результатом оседания на нее отдельных мелких капель.

Захват кристаллом сложной формы капель облака определя­ ется прежде всего формой кристалла плп даже отдельных его ча­ стей. Естественно, что игольчатые звезды будут захватывать не как диск описанного диаметра, а как цилиндр с диаметром, равным диаметру луча, и длиной, равной сумме длин всех лучей.

При падении звезд первоначальное обзерненпе начинается на лучах, в дальнейшем толщина лучей увеличивается, просветы между ними уменьшаются и образуется сплошной толстый диск. Так как на краях скорость обзёрнения больше, то вдоль всей пери­ ферии происходит образование бортика, края которого загнуты внутрь [87]. Однако кристаллы такой формы имеют тенденцию па­ дать, ориентируясь бортиком вверх, т. е. в процессе обзернения плоского кристалла он меняет свою ориентировку, покрываясь кап­ лями с обеих сторон. В результате повторяемость двухстороннего сильного обзернения в несколько раз выше одностороннего. Загну­ тые внутрь ісрая бортиков при увеличении обзернения соединяются под некоторым углом 0 [30, 175, 283]. Основание конуса имеет вид полусферы с радиусом, меньшим высоты крупинки. Обычно крупу характеризуют следующими параметрами: углом при вершине ко­

конусных крупинок, падают вершиной вниз, когда Ѳ > 1,36— 4—— при

0,1 < I/г <0,5 . Большинство крупинок имеет угол при вершине в пре­

делах 40— 100° [175, 244]. Наибольшая повторяемость. (80% слу­ чаев) приходится на углы 60—80° [244].

Соотношения (67) — (69) не являются универсальными, а от­ ражают только общие закономерности. Так, по данным работы [300]/п = 0,065 /3. Плотность крупинок неправильной формы по изме­ рениям на Кавказе лежит в пределах 0,2—0,3 г/см3, в Ленинграде 0,1—0,2 г/см3, а по данным Мейсона [64] она равна 0,05 — 0,1 г/см3. Данные Мейсона, по-видимому, сильно занижены, что обусловлено,

98

вероятно, ошибками измерения. Столь малая плотность присуща скорее пушинкам, которые по внешнему виду напоминают кру­ пинки, хотя они совершенно иной структуры.

Из всех ледяных частиц зимних осадков крупники имеют наи­ большую скорость падения (см. рис. 18). Скорость падения круп­ ных конусных и сферических крупинок достигает нескольких мет­ ров в секунду, что определяется не только их линейными разме­ рами, но и плотностью. Однако зависимость от плотности не столь существенна. Измерения, проведенные в различных районах, дают сходные результаты. Например, в диапазоне размеров от 0,3 до 2,5 мм для конусных крупинок

где I — диаметр максимального горизонтального сечения, а для сферических крупинок

ного дождя, хотя механизмы их образования разные. В естествен­ ных условиях ледяной дождь образуется зимой во время осадков при мощной инверсии. Образующиеся в верхней части облака ча­ стицы крупы или снега при попадании в слой воздуха при положи­ тельной температуре тают и превращаются в капли воды. Капли воды при дальнейшем выпадении попадают в слой воздуха с отри­ цательной температурой и полностью или частично замерзают, превращаясь в частицы ледяного дождя. Время полного замерза­ ния капли определяется выражением

< 7 2 >

где k = kB+ ßDLv, г — радиус капли, Lj и L v — скрытая теплота за­ мерзания и испарения, рк — плотность воды, F — коэффициент вен­ тиляции, k — эффективная термическая проводимость, kB— коэф­ фициент теплопроводности воздуха, ß — наклон кривой, линейно ■ аппроксимирующей зависимость между плотностью пара и темпе­ ратурой воздуха, ß = 1,7• 107 г-см -3 • (°С)~‘, D — коэффициент диф­ фузии водяного пара в воздухе, АТ — степень переохлаждения капли, св — теплоемкость воды.

Согласно расчетам по формуле (72), для замерзания капель диаметром 2 мм при Т = — 12° С требуется времени около 160 с, а капля диаметром 0,5 мм замерзает за 25 с. При полидисперсном распределении, которое практически всегда имеет место, часть ка­ пель будет полностью замерзать, а часть покроется ледяной обо­ лочкой.

Замерзание капель в условиях свободного полета редко сопро­ вождается их раскалыванием. Объясняется это тем, что капли, как правило, падают не вращаясь, так что происходит постепенное нарастание льда, начиная от наветренной стороны [196]. Интересно

■ отметить, что, если капли при замерзании вращаются, то они по­ крываются равномерной коркой льда, которая при дальнейшем промерзании раскалывается, а осколки разлетаются. В естествен­ ных условиях при замерзании капель в 4—5% случаев на поверх­ ности образуются «шипы», обусловленные замерзанием капель с поверхности и выдавливанием воды из трещин в оболочке [149, 353]. Вероятность образования шипов увеличивается с ростом диа­ метра капель. Полностью замерзшие капли, как правило, имеют трещины, причем трещины появляются уже у частиц диаметром 0 , 1 мм (4% всех капель), а у частиц диаметром 0 , 8 мм их повто­ ряемость увеличивается до 60%.

3.6. Трансформация снежинок при падении

После зарождения в верхней части облака кристаллы льда ра­ стут за счет конденсации п коагуляции с каплями облака. Одно­ временно с регулярным ростом зародышей за счет конденсации, приводящим к образованию частиц правильных форм, на поверх­ ности осевших отдельных капель или кристаллов облака могут возникать различные образования сублимационного характера. При прохождении частиц через переохлажденные слои облака на них осаждаются капли, что ведет к образованию обзерненных снежи­ нок, а затем крупинок.

Во время выпадения частицы соединяются друг с другом, об­ разуя хлопья, которые в дальнейшем также могут объединяться или распадаться на составные элементы. В области с недосыщеннем по отношению ко льду снежные кристаллы испаряются, утоньшаются и разламываются. После прохождения уровня нуле­ вой изотермы снежинки и крупинки тают, превращаясь в капли воды, и на этом заканчивают свое существование в твердом агре­ гатном состоянии. Перечисленные выше процессы, кроме таяния, могут иметь место на всех уровнях от места зарождения до уровня нулевой изотермы.

Рост частиц за счет конденсации и коагуляции целесообразно отнести к процессам формирования частиц, а коагуляцию частиц друг с другом, распад хлопьев и снежинок, испарение и таяние — к трансформации при падении.

Таким образом, при росте частиц увеличивается их масса, а за счет трансформации происходит уменьшение массы снежинок (при испарении), изменяется их скорость падения, форма и агрегатное

т. е. на высоте 5— 6 км она на 30—40% больше, чем на поверхности

100

земли. Вводить более точные формулы, где бы учитывалась также и температура воздуха, нецелесообразно, так как форма частиц, образующихся при различных температурах и пересыщениях, су­ ществующих на поверхности земли и в верхней части облака, раз­ лична, что оказывает на форму растущих частиц, а следовательно, II на скорость их падения значительно больше влияния, чем изме­ нение плотности воздуха за счет температуры (10— 15%). Для более точных расчетов можно воспользоваться формулами (48) — (51), однако эти выражения пригодны только для частиц правильной геометрической формы, т. е. для тонких шестигранников, игл или столбиков.

При объединении снежинок в хлопья их скорость падения в среднем больше скорости падения каждой из частиц в отдель­ ности. В некоторых случаях, например при соединении двух звезд концами лучей, агрегат незначительно изменяет скорость. Однако при образовании хлопьев в основном происходит частичное нало­ жение кристаллов друг на друга, в результате чего масса частиц растет быстрее, чем площадь поперечного сечения. Хлопья, полу­ чившиеся при объединении многих снежинок, как правило, приоб­ ретают более обтекаемую форму, что также способствует увеличе­ нию скорости падения.

Процесс таяния снежинок и снежных хлопьев в слоях воздуха с положительной температурой можно разделить на два этапа: оплавление по краям без существенного изменения формы и стяги­ вание в каплю воды, внутри которой имеется некоторое количество нерастаявшего льда, после того как большая часть льда перейдет в жидкое состояние. При дальнейшем падении лед плавится, но объем капли существенно не меняется, так как плотность льда близка к плотности воды.

Путь, проходимый частицей до начала стягивания в слое воз­ духа с положительной температурой, определяется величиной вер­ тикального градиента температуры воздуха, массой и формой сне­ жинки. Естественно, что тонкие ответвления тают скорее, чем тол­ стые. По визуальным наблюдениям, стягивание отдельных снежинок происходит после прохождения кристаллом пути в несколько десятков метров. Снежные агрегаты из-за экранирования наруж­ ными кристаллами внутренних проходят до стягивания путь в не­ сколько сотен метров.

Путь, проходимый снежинкой до полного таяния, определяется ее массой, первоначальной формой, плотностью, скоростью падения и градиентом температуры в зоне таяния. Так как на сравнительно небольшом пути происходит изменение формы, плотности и ско­ рости падения частиц, а для всех этих величин не получено точных значений, поэтому характер процесса описан только качественно и расчеты довольно приблизительны.

Несколько лучшие результаты получены для частиц, по форме близких к сферическим, а именно для крупинок [64]. Для сфериче­ ских частиц плотностью 0,3 г/смг путь до полного таяния при

101