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

десятилетия градины размером более 1 0 см зафиксированы всего несколькими наблюдателями как единичное явление [61].

Наиболее часто выпадают градины диаметром 1—3 см. По на­ блюдениям в СШ А, градины большего диаметра встречаются вЗ— 7% случаев [314]. Средний размер выпадающих градин зависит от широты местности, он увеличивается с уменьшением широты.

Систематические наблюдения за распределением градин ни в одном районе не проводились. По отдельным разрозненным дан­

.120

шинное распределение [79]. Как правило, первый максимум больше второго, причем превышает его в три—шесть раз. Отношение диа­ метра градин, соответствующего второму максимуму, к диаметру градин, соответствующему первому максимуму, в среднем равно 3,1 [1, 79]. Появление двухвершинного распределения, по-видимому, обусловлено наложением двух одновершинных распределений со сдвинутыми максимумами. Распределение градин по диаметрам или эквивалентным диаметрам в большинстве случаев может быть описано функцией вида (31), однако с другими коэффициентами и показателями степени. При этом для перехода от диаметра гра­ дин £>гр к их эквивалентному диаметру сі используют соотношение

d = D vp(pvplpa)4 \ (78)

где рв — плотность воды.

Функция распределения градин по размерам по данным у по­ верхности земли S (Drp) связана с распределением в воздухе р (£>гр)

для градин неправильной формы, по-видимому, также можно по­ добрать аналогичный степенной закон.

Концентрация градин в воздухе N, рассчитанная по наземным данным, колеблется в широких пределах. По измерениям в Аме­ рике при £>гр>1 см Л7 = 1 м-3, в Англии — 3,5 м-3. В С С С Р , со­ гласно наземным измерениям, концентрация градин того же диапа­ зона размеров колеблется в пределах 5—22 м~3, т. е. на порядок больше [1]. По радиолокационным измерениям N изменяется в ши­ роком диапазоне значений, от 0,13 до 22 м 3 [2]. Естественно, что концентрация связана с интенсивностью выпадения града (уве­ личивается с увеличением последней). Зависимость концентрации от размера града пока не прослежена. Так, при одних и тех же размерах градин концентрация может изменяться на два-три по­ рядка [139].

Переносить распределения, измеренные на поверхности земли, в подоблачные слои, а тем более в облака неправомочно, так как на пути падения градины непрерывно трансформируются, изменяя свою форму и массу.

4.2. Микрофизические условия роста градин

Градины формируются в мощных кучевых облаках за счет осаж­ дения переохлажденных капель облака, капель дождя и ледяных кристаллов на выпадающей частице. Если скорость осаждения пе­ реохлажденных капель достаточно велика, то за счет выделения

122

скрытой теплоты замерзания температура поверхности растущей частицы повышается до 0°С [336].

В зависимости от температуры облака падающая градина растет или тает. При температуре воздуха ниже 0°С, даже если температура поверхности градины повышается до 0° С (за счет выделения скрытой теплоты конденсации), осаждающаяся вода впитывается градиной или частично замерзает на ней. В обоих случаях масса градины увеличивается. При осаждении капель при положительной температуре за счет теплообмена с окружающим воздухом и осаждающимися каплями градина тает. Поэтому для

В основном рост градин происходит за счет захвата переохлаж­ денных облачных капель. Эффективность захвата «сухой» гра­ диной твердых элементов осадков мала, так как в результате обдува любые кристаллы, попавшие на поверхность градины, уно­ сятся. Однако если на градине образуется пленка воды, эффек­ тивность захвата ледяных кристаллов резко возрастает и дости­ гает единицы. В этом случае оседающие снежные кристаллы сов­ местно с водой образуют губчатый лед [258]. Следует отметить, что губчатый лед может образовываться также за счет образова­ ния и роста кристаллов льда внутри пленки воды [268]. В отдель­ ных случаях на поверхности градины оседают частицы крупы или более мелких градин, которые изменяют ее поверхность [261]. За­ хват градиной частиц крупы и полностью замерзших капель про­ исходит только при сочетании ряда благоприятных факторов, ко­ торые в естественных условиях наблюдаются редко. Из приведен­ ных в литературе многочисленных фотографий разрезов градин только в очень ограниченном числе случаев можно обнаружить захваченную (вмерзшую в тело градины) крупинку или замерз­ шую каплю воды. Частично замерзшие капли воды захватываются более энергично, однако вид поверхности градины при этом не ме­ няется, так как частицы раскалываются и «размазываются».

Вероятность благоприятных условий, при которых будет про­ исходить захват крупной градиной более мелких, мала, хотя в ли­ тературе встречаются описания конгломератов, состоящих из срос­ шихся друг с другом мелких градин и крупинок [30]. Основной при­ чиной, препятствующей срастанию градин, являются аэродинами­ ческие силы, разламывающие уже сросшиеся образования.

Как уже говорилось, рост градин в основном происходит так же, как и рост крупы — переохлажденные облачные капли захва­ тываются падающими ледяными зародышами и примерзают к ним. Однако если рост крупы происходит при малой относительной ско­ рости соударения и при небольшой водности облака, то рост гра­ дин происходит при значительно больших значениях этих величин. При образовании крупы облачные капли замерзают на поверхности растущей частицы при температуре ниже нуля, оставаясь в ос­ новном сферическими. При образовании града температура

123

растущей поверхности может быть около 0 °С за счет выделения скрытой теплоты замерзания. В этом случае капли не замерзают,

аобволакивают градину тонкой пленкой воды.

Взависимости от температуры, концентрации переохлажден­ ных капель в облаке, их диаметра и скорости падения растущей градины на ней будет происходить или осаждение малодеформнрованных капель с образованием рыхлой снеговидной структуры (белый, зернистый лед), так называемый сухой рост, либо осаж­

дение капель в виде пленки воды с последующим замерзанием, мокрый рост [248, 265]. При прочих равных условиях «сухой» или «мокрый» режимы роста определяются водностью облака. Чем больше водность, тем больше переохлажденной воды в виде об­ лачных капель поступает к поверхности градины и больше выде­ ляется скрытой теплоты кристаллизации. Значения водности, при которых температура поверхности градины за счет выделения скры­ той теплоты кристаллизации становится равной 0 ° и начинается режим мокрого роста, принято называть критическими.

Естественные границы перехода зародышей в градины условны. Это подразделение можно проводить по величине градин, наличию слоев, массе и т. д. По-видимому, целесообразно установить гра­ ницу между градинами и крупинками, исходя из наличия или отсутствия мокрого роста. Частицы, образующиеся только при ре­ жиме сухого роста, следует считать крупинками, какого бы раз­ мера они не достигали; частицы, которые в процессе выпадения достигали мокрого режима роста — градинами. При таком делении к крупинкам будут в основном относиться частицы с плотностью менее 0,5 г./см3, а к градинам частицы с плотностью более 0,5— 0 , 6 г/см3.

Рост частиц града — кратковременный локальный процесс. Так, например, средняя ширина зоны выпадения града составляет ве­ личину менее 10 км [79]. Время между появлением первого локационного отражения от градового облака и выпадением градшна землю занимает немногим больше 10 мин [74]. На пути падей' градины внешние условия существенно разные. Например, т^ціл ратура воздуха на уровне верхней границы облаков составу" —40, —50°, а на поверхности земли 20—30°. Таким образом? от уровня зарождения до поверхности земли в течение нескольких минут частицы изменяют свой размер на порядок, массу на т; . порядка, а скорость падения изменяется в несколько раз.

В настоящее время отсутствует полная количественная теория роста града. В основном удается объяснить некоторые стороны про­ цесса градообразования и в ряде случаев их смоделировать. Од­ нако, как правило, результаты модельных опытов, верно отражая характер роста градин, не позволяют однозначно переносить коли­ чественные данные, полученные на моделях, на естественные про­ цессы в облаках.

В общем виде баланс тепла растущей градины, который в ос­ новном определяет сухой или мокрый рост, согласно [37, 265],

124