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

II самолета [34, 199, 200, 203]. Этот метод дает возможность авто­ матизировать сортировку капель при помощи амплитудных анали­ заторов. В последней модели прибора этого типа [200] имеется возможность измерять распределение капель в дождях интенсив­ ностью до 200 мм/ч, что соответствует средней частоте капель по­ рядка 200 с-1. Импульсы напряжения, пропорциональные диаметру капель, подаются на двадцатпканалыіый амплитудный анализатор. Минимальный размер измеряемых капель 0,3 мм. В электронной схеме прибора предусмотрены блоки, при помощи которых произ­

вычисления этих величин будут подробно обсуждены в следующих параграфах.) Общий недостаток этих приборов — низкая точность измерений, ибо импульс от удара получается разный в зависимости от места падения капли на мембрану. Кроме того, импульс меня­ ется в зависимости от того, покрыта мембрана слоем воды или нет, и от толщины этого слоя. Так как слой воды на мембране зависит от интенсивности дождя, то чувствительность прибора не остается постоянной, даже если имеется устройство, обеспечивающее быстрое удаление воды с поверхности мембраны. При измерении распределения капель по размерам с аэростата или с самолета по­ является дополнительная погрешность из-за нестабильности скоро­

которого состоит в следующем: лента алюминиевой фольги тол­ щиной в несколько микрон протягивается перпендикулярно набе­ гающему потоку, или экспонируется по частям. Капли воды остав­ ляют на фольге отпечатки, диаметр которых пропорционален диа­ метру капли [113, 114, 135, 147, 148, 289]. Несмотря на простоту и надежность, устойчивость к воздействиям влажности и измене­ ниям температуры, этот метод обладает существенными недостат­ ками.

Во-первых, необходима предварительная градуировка приборов, для чего приходится применять сложные установки. Например, стенд для градуировки, используемый Шектором и Руссом [330], представляет собой вращающийся в горизонтальной плоскости ры­ чаг длиной 8 м, на конце которого помещается исследуемый при­ бор. Меняя скорость вращения системы, можно плавно изменять линейную скорость от нескольких метров в секунду до 450 км/ч. При вращении прибора на пути его движения создается поток капель заданной величины. Измерения показали, что диаметр от­ печатка зависит не только от диаметра капли, но также и от ско­ рости вращения движения прибора. При скорости вращения при­ бора 260 км/ч в диапазоне размеров капель 0,5—5,5 мм отношение диаметра пятна к диаметру капель составляет 1,0— 1,3, при скоро­ сти 430 км/ч эта величина возрастает до 1,7—2,5.

12

Во-вторых, весьма трудоемкий процесс обработки данных. В настоящее время отсутствует автоматизация обработки подоб­ ных данных.

Громоздким, но надежным методом измерения, позволяющим не только изучить распределение капель по размерам, но и их форму, является их непосредственное фотографирование в неко­ тором объеме воздуха [129, 197]. Фотографирование капель про­ изводится в момент их освещения сзади и сбоку импульсным ис­ точником света большой мощности. Для получения достаточно большой глубины снимаемого объема применяются длиннофокус­ ные объективы (400 мм). Снимаемый объем имеет размеры 20Х X 27X40 мм, поэтому для получения достаточного количества ка­ пель необходимо производить большое количество отдельных сним­ ков. Капли фотографируются в натуральную величину. Этот метод применяется только на поверхности земли, так как для фото­ графирования капель с самолета необходимы импульсные источ­ ники света большей мощности и с малым временем свечения.

В настоящее время наиболее совершенным методом является фотоэлектрический метод, основанный на измерении электрических импульсов фотоумножителя, определяющего рассеянный свет от пролетающей капли [4, 65, 69, 132, 144, 145, 286, 325].

При помощи диафрагм, линз и механических щелей создается сравнительно узкий пучок света шириной в несколько сантимет­ ров. Толщина его в различных приборах разная и варьируется

В наземных приборах плоскость падения луча располагают го­ ризонтально, так что капли при естественном падении пересекают ее. В самолетных приборах плоскость падения луча ориентируется перпендикулярно направлению полета самолета. Так как скорость самолета в 20—25 раз больше, чем скорость падения капель, мо­ жно принять, что дождевые капли пересекают луч перпендику­ лярно.

Для уменьшения влияния краевого эффекта перед плоскостью луча помещается входная диафрагма, ширина которой и опреде­ ляет размер входного отверстия прибора. После прохождения зоны входной диафрагмы луч посредством ряда щелей диафрагм и линз направляется непосредственно на фотоэлемент или фотоумно­ житель или на экран, расположенный перед фотоэлементом и за­ теняющий весь прямой свет. В первом случае при отсутствии ка­ пель ток через фотоэлемент определяется общим потоком света, во втором — темповым током. При пересечении каплями плоскости луча в первом случае происходит уменьшение светового потока, во втором— увеличение его за счет того, что рассеянный каплями свет уже не попадает точно на экран перед фотоэлементом, а про­ ходит мимо, попадая на фотоэлемент. В обоих случаях на выходе

13

фотоэлемента появляется импульс напряжения, амплитуда кото­ рого пропорциональна диаметру падающей капли.

Впринципе приборы этого типа не нуждаются в градуировке, II зависимость между амплитудой импульса п диаметром капли может быть получена расчетным способом, исходя из конкретных параметров прибора, однако авторы все же предпочитают граду­ ировать приборы. Графики градуировки достаточно близки к рас­ четным.

Образующиеся на выходе импульсы напряжения могут быть записаны различными путями. На ранних этапах исследований применялась запись импульсов непосредственно на шлейфовый ос­ циллограф с последующей ручной обработкой. В дальнейшем стали применять амплитудные анализаторы с записью количества по­ ступающих на шлейфовый осциллограф импульсов в заданных ин­ тервалах диаметров. В принципе запись можно полностью авто­ матизировать и обработку данных производить на ЭВ Ц М , однако практические схемы пока еще не разработаны. Приборы этого типа, наряду с очевидными достоинствами (широкий диапазон изме­ рения, возможность автоматизации сбора и обработки материала), имеют некоторые недостатки; они сложны и имеют малую пло­ щадь входного отверстия. Тем не менее эти приборы получают все большее и большее распространение.

Для изучения распределения капель по размерам в том случае, когда не ставится задача одновременного измерения и их электри­ ческих характеристик, используются приборы, в основу которых положено измерение заряда капель. В приборе Ламерса [232] дож­ девые капли пролетают через две пары сеток, расположенных одна над другой. Сетки состоят из параллельных вольфрамовых ни­ тей толщиной 0,05 мм, расстояние между которыми 0,75 мм. К верхней сетке приложено напряжение в 300 В. Капли, задевая верхнюю сетку, заряжаются. Далее, при пролете через нижнюю сетку они разряжаются, создавая на ней электрический импульс. Величина импульса примерно пропорциональна квадрату диаметра капель.

В другом приборе аналогичного типа [335] капли дождя посту­ пают в приемное отверстие площадью 25 см2 и проходят через ячейки густой сетки, имеющей потенциал 300—400 В. При пролете через сетку капли заряжаются, причем величина заряда пропорцио­ нальна диаметру капли. Далее заряженные капли пролетают че­ рез изолированное кольцо и индуцируют на нем заряд, пропорци­ ональный собственному заряду и, следовательно, размеру капель. Величина заряда регистрируется при помощи амплитудного дис­ криминатора, имеющего шесть каналов, соответствующих диамет­ рам капель от 0,8 до 2,8 мм и более через интервал 0,4 мм. Число капель внутри каждого интервала размеров регистрируется меха­ ническими счетчиками, показания которых каждые 30 с фикси­ руются при помощи кинокамеры. Результаты, полученные с по­ мощью регистраторов подобного типа, имеют большую нагляд­ ность.

14

. ^

В приборе Вина [362] используется аналогичный принцип, ос­ нованный на заряжении капель. Тонкая проволочка поддержива­ ется при постоянном потенциале 2000 В. Пролетающие капли, касающиеся проволоки, снимают с нее часть заряда, что регистриру­ ется соответствующей электронной схемой. Для уменьшения влия­ ния внешних воздействий, ибо проволочка до некоторой степени является приемной антенной для электронной схемы, вход состоит из двух проволочек, включенных по дифференциальной схеме. Раз­ личные электрические разряды естественного и искусственного про­ исхождения действуют на обе проволочки одновременно и элект­ ронной схемой не регистрируются.

К достоинствам прибора этого типа следует отнести его про­ стоту, надежность, возможность использования электронных схем для автоматизации сбора и обработки материала. Существенным недостатком прибора является его малое «входное отверстие» (около 1 смI2), которое к тому же зависит от размера капель (пло­ щадь захвата капель диаметра d проволочкой длиной I равна 2dl).

Натан [302] предложил оптический прибор для непосредствен­ ного определения размеров дождевых капель. Влетающие через приемное отверстие капли проектируются на коллектор, состоящий из прозрачных полосок, разделенных непрозрачными промежут­ ками различной толщины. Прозрачные полоски — начало светово­ дов, на выходе которых стоят фотоэлементы, включенные в схему совпадения. На выходе схемы совпадений стоят механические счетчики. Если изображение капель перекроет один или несколько непрозрачных промежутков, то оно будет одновременно регистри­ роваться двумя или большим числом каналов. Таким образом, каждый канал считает капли, размеры которых превосходят за­ данный размер, определяемый шириной непрозрачного проме­ жутка. Входное отверстие прибора формируется оптическим мето­ дом. Один и тот же объем проектируется на пластину с двух вза­ имно перпендикулярных направлений, причем свет, идущий от этих направлений, поляризован: один в вертикальной плоскости, другой — в горизонтальной. В окошки измерительной решетки тоже вмонтированы поляроиды с последовательно чередующейся го­ ризонтальной и вертикальной поляризацией. Схемы совпадений срабатывают только при появлении одновременно двух изображе­ ний. Горизонтальное сечение входного отверстия прибора 32 см2, что позволяет измерять распределения с большой точностью, од­ нако приемная оптическая часть прибора очень сложна.

Примерно по этому .же принципу построен прибор Кноленберга [218]. Плоскопараллельный луч лазера в виде узкого горизонталь­ ного пучка падает на узкую щель, состоящую из торцов светово­ дов, на выходе которых стоят фотоэлементы. Фотоэлементы вклю­ чены в электрические схемы совпадений таким образом, что чем больше диаметр капель, тем большее число фотоэлементов одно­ временно регистрирует импульс и больше амплитуда выходного

При попадании света на один из них, что соответствует задева­ нию капель за «край» входного отверстия, капля не регистриру­ ется. Импульсы различной амплитуды, соответствующие каплям различного диаметра, сортируются по размерам при помощи им­ пульсного анализатора и их число регистрируется механическими счетчиками. Кроме регистрации числа капель в заданных интер­ валах диаметров, система выдает значения водности осадков.

В одной из модификаций прибора оптическая система состоит из двух вышеописанных устройств, расположенных одно над дру­ гим, что позволяет одновременно с размером капель регистриро­ вать и скорость их падения.

Для дистанционного измерения распределения капель в свобод­ ной атмосфере ряд исследователей предложили радиолокационный метод, основанный на измерении распределения капель дождей по скоростям. В основе метода лежит способ измерения частоты от­ раженного радиосигнала от движущегося объекта (эффект Доп­ плера) [20, 128, 151]. При луче радиолокатора, направленном вверх (перпендикулярно поверхности земли), частота отраженного от ка­ пель радиосигнала будет зависеть от их вертикальной скорости. Так как капли в осадках имеют разную величину и разные скоро­ сти падения, в отраженном сигнале появляется некоторый спектр частот. Измеряя общую величину отраженного сигнала и мощно­ сти, приходящиеся на различные диапазоны спектра отраженного сигнала, можно получить распределение величины отраженного сигнала для частиц, имеющих определенную скорость падения, и тем самым получить распределение вида р (V), т. е. функцию рас­ пределения частиц в атмосфере по скоростям падения. Так как скорость частиц однозначно связана с их диаметром, переход от функции р (V) к функции р (сі) однозначен.

Радиолокационный метод позволяет измерять нормальные (по отношению к лучу) компоненты скорости падения капель. Естест­ венно, что если капли падают в воздухе, имеющем соответственную вертикальную компоненту скорости, то наблюдения становятся не­ определенными, ибо отличить, какая часть вертикальной скорости обусловлена падающими каплями, а какая движущимся воздухом, невозможно. Несмотря на эти ограничения, радиолокационный ме­ тод обладает существенным преимуществом — он позволяет иссле­ довать сразу большие объемы воздуха и получить практически мгновенные распределения капель по вертикали.

1.2. Исследования снежинок, крупинок и снежных хлопьев

Снежинки имеют самую разнообразную форму, внутреннюю структуру, массу и скорость падения. При падении они могут рас­ калываться, соединяться друг с другом, образуя агрегаты-хлопья, покрываться облачными элементами (каплями облака) или кри­ сталлами изморози. При падении на твердую подложку снежные агрегаты разламываются, изменяется взаимное положение отдель­ ных их элементов, а с течением времени снежинки изменяют и

16