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

к единице поверхности градины, правая часть — количество тепла, уходящего с единицы ее поверхности [260]. Большинство парамет­ ров, входящих в выражение (80), может быть определено только приближенно. Коэффициент захвата Е в случае потенциального обтекания определяется диаметром облачных капель, диаметром градин и скоростью их падения. Согласно данным теоретических исследований, коэффициент захвата для сферических градин может быть определен из выражения

где р и ц — плотность и вязкость воздуха соответственно, гк — ра­

Для реальных градин коэффициент захвата вычисляется при­ близительно, так как поверхность не гладкая, а форма отличается от сферической. Появляющиеся на градине выпуклости способст­ вуют местному увеличению коэффициента захвата, в результате образовавшиеся выступы имеют преимущество в росте. Выступы

125

приводят к местному снижению критической водности. Таким об­ разом, на одной и той же градине в разных местах может проис­ ходить как сухой, так и мокрый рост.

Образование различных выступов неправильной формы и де­ формация градин происходят в основном при мокром росте п при переходе из состояния мокрого роста к сухому [292]. Хотя градины могут иметь самую различную форму и их поверхность, как пра­ вило, покрыта выступами, для всех расчетов исследователи вы­ нуждены принимать, что градины сферические и гладкие [98, 258, 261]. При расчетах принимается также, что градина ориентирована определенным образом, однако преимущественное образование кон­ центрических слоев указывает, что градины при падении кувыр­ каются и вращаются [215].

Переход от одного вида роста к другому происходит за корот­ кие интервалы времени. Если учесть, что время между началом образования градин в облаке и их выпадением из облака равно \Ъ мин и что в градине, как правило, имеется несколько слоев, то на образование одного слоя идет 2—4 мин. В то же время, со­ гласно непосредственным измерениям, для того чтобы вся градина диаметром 1—2 см приобрела температуру внешней среды, необ­ ходимо 3—4 мин [161]. Следовательно, внутри естественных градин при их падении непрерывно распространяются волны тепла и хо­ лода, что оказывает существенное влияние на температуру поверх­ ности градины, где происходит осаждение капель.

Все перечисленные выше факторы могут существенно изменить условия роста градин.

Для реальных условий более правильным является не вычисле­ ние какой-то определенной граничной водности (критической), ниже которой при заданных условиях осаждения идет сухой рост, а выше — мокрый, а вычисление границ переходной области. Так, с учетом разброса эффективности захвата в различных частях гра­ дины для моноднсперсного облака, состоящего из облачных ка­ пель с гь-= 15 мкм, критические значения водности шкр имеют зна­ чительный разброс (рис. 30) [262].

Расчеты условий сухого и мокрого роста по формуле (80) для вращающегося в потоке аэрозоля ледяного цилиндра, удовле­ творительно согласуются с опытными данными [164]. При этом об­ наружено, что скорость ухода тепла с поверхности градины мало зависит от того, происходит ли сухой или мокрый рост, однако на­ личие на поверхности выступов увеличивает турбулентный обмен и отток тепла на довольно значительную величину (до 60%) [261]. Оба эти положения можно отнести и к росту реальных градин.

Наличие сухого и мокрого роста на различных этапах жизни растущей частицы или даже одновременно в различных частях градины объясняет многообразие форм выпадающих градин. Когда на всем пути градины растут в режиме сухого роста и при паде­ нии кувыркаются, то они принимают более или менее правильную геометрическую форму сферы или сфероида, ибо осаждение об­ лачных капель происходит достаточно равномерно по всей поверх-

126

посты. В случае возникновения некоторой стабилизации в ориен­ тации при падении осаждение будет идти преимущественно на на­ ветренной (нижней) стороне градины. При сухом росте в этом случае начинается образование круповидных градин; при мокром росте, если он происходит сравнительно медленно, вода сносится воздушным потоком к краям градин, где и замерзает, придавая градине эллиптическую форму. Возникшая эллипсоидалы-юсть в дальнейшем будет усиливаться, ибо при падении малая ось эл­ липсоида стремится ориентироваться вертикально [117].

Рис. 30. Зависимость величины критической водности от диаметра градины и температуры окружающего воздуха [262].

Формирование градин неправильной формы обусловлено мно­ гими механизмами [5, 6, 7, 8]. Основным процессом, по-видимому, является замерзание воды, оседающей на передней поверхности и сдуваемой потоком воздуха в тыловую часть градины, где она замерзает в виде выступов. Для образования длинных выступов требуется, чтобы градина достаточно долго сохраняла определен­ ную ориентацию при падении.

Формирование градин неправильной формы происходит также при образовании на ее поверхности губчатого льда, т. е. смеси ле­ дяных кристаллов и воды. Губчатый лед имеет некоторую пластич­ ность и под действием потока воздуха перемещается по твердому центральному ядру. В случае когда вся градина состоит из губчатого

127

льда, деформация простирается на всю толщу частицы. Ока­ завшиеся на подветренной стороне выступы губчатого льда стаби­ лизируют градину, что способствует систематическому перемеще­ нию массы с наветренной в тыловую часть градины. Так как на обратную сторону 'градины тепло не поступает, то происходит замер­ зание губчатого льда в виде сосулек прозрачного льда различной длины [111]. На правомерность такого предположения указывает то, что градины неправильной формы (F) образованы в основном из прозрачного льда [26].

Одним из возможных механизмов образования градин непра­ вильной формы следует считать выдавливание воды через трещины в ледяной оболочке [353]. Это происходит, когда градина, состоя­ щая из губчатого льда, попадает в слон облака с отрицательной температурой и низкой водностью. Если при падении градины вращаются, то происходит образование сплошной ледяной корочки.

от скорости соударения, диаметров капель, их температуры и тем­ пературы поверхности градины или сразу замерзают, почти не де­ формируясь, либо частично расплющиваются и затем замерзают, либо, попадая в пленку воды, теряют свою индивидуальность. Капли, замерзшие при низких отрицательных температурах (ниже

— 15° С), в режиме сухого роста, имеют матовую поверхность и со­ стоят из непрозрачного льда. Кроме того, в этом случае они соединяются друг с другом краями, почти не деформируясь и между ними образуются значительные безвоздушные промежутки (рис. 31). Цепочки капель, как правило, направлены навстречу набегающему потоку. Отвод тепла от замерзающих капель в этом случае идет в основном через воздух [265]. Чем выше скорость соударения и температура, тем больше деформация капель. При падении на поверхность с более высокой температурой капли сначала расплющиваются, принимая форму сегмента, а затем за­ мерзают. Время растекания т определяется скоростью капель при соударении. При ^ = 1 0 мкм и цк= Ю м/с т~10_6 с.

Для характеристики растекания капель удобно пользоваться критерием, который получил название коэффициента расплющи­ вания и представляет собой отношение диаметра расплющен­ ной капли к ее первоначальному диаметру. Коэффициент расплю­ щивания в основном определяется температурой поверхности п сравнительно мало зависит от температуры капель (табл. 32).

Отток тепла от осевшей замерзшей капли идет как внутрь гра­

128

521 № Заказ 9

Рис. 31. Структура льда в различных условиях осаждения капель радиусом 50 мкм при температуре

окружающего воздуха—27° С [267].

Т а б л и ц а 32

Коэффициенты расплющивания капель облака в зависимости от температуры

где рв и рл — плотность воды и льда, Тп — температура подложки (льда). Выражение (83) справедливо, когда ориентация частицы

Рис. 32. Время замерзания пленки воды различной толщины на обдуваемой сфере диаметром I см (сплошная линия) и 3 см (штриховая линия) в зависимости от температуры сферы Гл и окружающего воздуха Г.

при падении не изменяется. При этом время замерзания для раз­ личных значений АI при температурах Т и Тп колеблется от ІО-4 до 0,5 с (рис. 32) [265].

При осаждении капель облака средиеобъемная плотность пер­ воначально образуемого осадка в первом приближении зависит от

Т

По более точным расчетам, включающим в себя как частный случай выполнение предыдущей формулы, плотность осадка опре­ деляется выражением

130