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

свою внутреннюю структуру. Все это создает специфические труд­ ности при исследовании снежинок.

Результаты визуальных наблюдений за формой и внутренней структурой снежинок подробно рассмотрены в монографии А. Д . За­ морского [30].

Определение формы частиц снегопадов производится либо ви­ зуально, либо с помощью лупы пли микроскопа с небольшим уве­ личением. Так как снежинки имеют сложную форму, то даже очень пространное объяснение недостаточно для представления ее струк­ туры. На ранних этапах исследования проводилась зарисовка сне­ жинок, а позднее — их фотографирование. Техника фотографиро­ вания снежинок плоских форм мало отличается от обычной тех­ ники микрофотографирования. Высококачественные изображения могут быть получены при помощи довольно примитивных средств [38]. Для микрофотографирования снежинок, имеющих сложную пространственную форму, необходимо применять длиннофокусные

К недостаткам фотографического метода следует отнести его громоздкость и «одноплановость». В случае необходимости после­ дующего дополнительного исследования формы снежинок в дру­ гих ракурсах необходимо делать большое количество отдельных фотографий [141].

Эти недостатки отсутствуют у метода реплик, позволяющего получить объемную модель снежинки, полностью повторяющую ее внешнюю форму, а в ряде случаев и внутреннюю структуру (струк­ туру внутренних полостей, имеющих связь с внешним простран­ ством) .

Для приготовления реплик снежинок однопроцентный раствор формвара в дихлорэтане наносится на предметное стекло, на кото­ рое и производится улавливание снежинок. После испарения ди­ хлорэтана и воды на пленке формвара от снежинки остается рель­ ефное изображение той плоскости снежинки, которой она прика­ салась к раствору [62, 173, 328, 329].

В настоящее время разработаны рецепты получения реплик снежинок любой формы при различных условиях их выпадения. Главное в технологии приготовления реплик — выбор оптимальной концентрации раствора формвара (полиметилметакрилата) в ди­ хлорэтане или в хлороформе (1-—3%). Время на изготовление реп­ лики в основном определяется временем испарения растворителя, которое равно 5—20 мин. Иногда при использовании метода реп­ лик получают искажение формы снежинок, особенно тогда, когда они состоят из механически слабо связанных кристаллов. Это мо­ жно объяснить изменением сил поверхностного натяжения при вы­ сыхании. Кроме того, при высыхании может происходить стяги­ вание.отдельных кристаллов в один агрегат [341].

От указанного недостатка свободен метод получения реплик, основанный на осаждении на кристалл паров некоторых веществ.

Эти пары образуют на наружной поверхности и внутренних поло­ стях, соединяющихся с внешним пространством, пленку. На пред­ метное стекло наносится пленка метпл-2-цианокрплата и затем это стекло устанавливается на расстоянии 1 мм над подложкой с улов­ ленными снежными кристаллами. Затем стекло с пленкой слегка нагревается, пары метпл-2-цпанокрплата возгоняются п конденсиру­ ются на внешних и внутренних полостях снежных кристаллов [306, 341]. Образовавшаяся пленка имеет разную толщину, что хорошо видно в поляризованном свете. По-впднмому, это связано с различным осаждением паров на заряженных участках поверхно­ сти кристалла. Время получения реплик вышеуказанными спосо­ бами определяется временем испарения жидкости. Для ускорения этого процесса Хаге [174] предложил улавливать кристаллы на предметные стекла, покрытые пленкой формвара, а затем опрыски­ вать их из пульверизатора раствором формвара в этнлендихлориде. При такой методике время получения объемного изображения кристалла около 20 с.

В ряде случаев применяется комбинированный метод. Сначала готовятся реплики, а затем они фотографируются. В качестве под­ ложки для улавливания снежинок перед их фотографированием или приготовлением реплик применяются предметные стекла, ли­ сты плексигласа, натянутые на рамки кусочки сукна или бархата. При штиле улавливание снежинок может производиться на любую подложку; при ветре, даже слабом, снежинки сдуваются с не­ больших гладких подложек, поэтому в этом случае целесообразнее применять шероховатую подложку или слой масла [171].

Для автоматизации процесса получения реплик и исследования изменчивости формы снежинок во время снегопада предложено несколько систем. Основная часть всех конструкций — фотопленка или бумажная лента, которая автоматически покрывается раство­ ром формвара, а затем экспонируется, проходя перед окошком, куда попадают снежинки [182, 183, 316]. В последней модели при­ бора кинопленка шириной 35 мм передвигается со скоростью 7,5 см/мин и перед экспонированием погружается в формвар. За­ паса пленки хватает на 24 ч непрерывной работы. Аналогичные устройства применяются и для исследования формы снежинок в свободной атмосфере [280]. В одном из таких приборов пленка 35 мм, покрытая раствором формвара, при помощи электромотора передвигается перед окошком. Прибор поднимается на шаре-пи­ лоте. После достижения шаром определенной высоты (5000 м) при­ бор отделяется и опускается на парашюте. Зная скорость подъема прибора и скорость движения пленки, можно определить, на какой высоте получена та или иная проба.

Все приборы, основанные на улавливании снежинок на твердую подложку, дают возможность определить размер и форму отдель­ ных снежинок в снегопаде. Для определения размера или формы снежных хлопьев этот метод неприменим, так как агрегаты при ударе о поверхность значительно деформируются. Кроме того, ес­ ли хлопья падают на подложку с горизонтальной составляющей

18

скорости, т. е. при ветре, то происходит их «размазывание» по под­ ложке.

Для изучения снежинок в свободной атмосфере с самолета ис­ пользуются как приборы, основанные на улавливании снежинок на движущуюся ленту [257], так и фотоэлектрические приборы [11]. При помощи фотоэлектрических приборов можно получать только некоторые данные о распределении снежинок и хлопьев по вели­ чине в какой-то относительной шкале размеров, причем вид кри­ сталлов при этих измерениях нельзя определить. По фотографиям или репликам как плоских, так и объемных снежинок, как пра­ вило, нельзя вычислить их массу. Объясняется это тем, что сне­ жинки имеют сложную пространственную форму с многочислен­ ными замкнутыми и незамкнутыми пустыми полостями.

Для измерения массы снежинки улавливаются на твердую или жидкую подложку, плавятся, а по объему образовавшейся при этом капли воды определяют вес снежинки. При плавлении сне­ жинок в слое масла они приобретают сферическую или сферои­ дальную форму, что позволяет однозначно определить их эквива­ лентный диаметр, т. е. диаметр сферы, имеющей тот же вес, что и снежинка.

По двум фотографиям, сделанным до и после плавления, мож­ но судить о массе и форме отдельных кристаллов [54, 171, 179, 298]. В том случае, когда снежинка или снежный агрегат распада­ ется на множество отдельных частей, вес гидрометеора определя­ ется как сумма весов отдельных капель [51].

Некоторое время для определения массы снежинок широко использовался метод их улавливания на фотоэмульсии, обработан­ ные специальным образом [340], или на пластинки, покрытые пара­ фином [10, 64]. Этот метод менее точен, чем улавливание снежинок в слой масла. Форма образовавшейся капли существенно зависит от формы упавшего кристалла и его ориентации и представляет со­ бой шаровые сегменты, искаженные на краях за счет смачивания. Вычисление объема такой геометрической фигуры по измеренным значениям диаметра и высоты может приводить к значительным ошибкам.

Для определения массы снежинок, снежных хлопьев и крупи­ нок широкое распространение получил метод фильтровальной бу­ маги [47, 169, 234]. Снежинки улавливаются на листы фильтро­ вальной бумаги, покрытой порошком сухого красителя, и плавятся. Как правило, при плавлении снежинки стягиваются в каплю, а затем впитываются бумагой, образуя круглое окрашенное пятно. Для определенного сорта бумаги имеется достаточно устойчивая связь между диаметром пятна D c и массой снежинки тс. Эта связь находится экспериментальным путем. В ряде случаев масса снежинки оказывается недостаточной для пропитывания всей тол­ щи бумаги. Если снежинка имеет сравнительно большую поверх­ ность и сложную структуру, то при плавлении она распадается на ряд отдельных капель.

Метод фильтровальной бумаги пригоден только в том случае,

когда эквивалентный диаметр снежинки меньше диаметра обра­ зующегося пятна. В противном случае снежинка (плоский кри­ сталл) при плавлении пропитывает только слон фильтровальной бумаги, непосредственно примыкающий к снежинке, что приводит к завышению значения тс. Для частиц сравнительно большой массы этот метод достаточно удобен. Подробно о нем говорится в п. 1.1, где рассматривается применение этого метода для опре­ деления массы капель дождя. Однако несмотря на удобство ме­ тода, он обладает малой точностью, особенно для частиц малого эквивалентного диаметра (rf< l мм), т. е. как раз тех частиц, из которых преимущественно состоит снегопад. При изучении отдель­ ных кристаллов предпочтение следует отдать методу улавливания частиц в масло; для крупинок и хлопьев удобнее применять ме­ нее точный, но более простой метод фильтровальной бумаги.

Определение скорости падения снежных агрегатов произво­ дится или их фотографированием через равные промежутки вре­ мени [51, 234], пли измерением времени пролета снежинками опре­ деленного расстояния в трубе или шахте [10, 47, 273, 300]. Во всех случаях скорость падения снежинок сопоставляется с их формой, размерами, массой или эквивалентным диаметром.

Для определения массы снежинок, для которых производится измерение скорости, их улавливают или на фильтровальную бу­ магу, или в масло. Следует отметить, что методика одновременного измерения скорости и массы снежинок очень трудоемка и в ес­ тественных условиях может производиться при скорости ветра не более 1—2 м/с.

Для набора массового материала о горизонтальной и верти­ кальной составляющих скорости падения снежинок, а также флук­ туациях скорости во времени снежинки фотографируют двумя ка­ мерами (используя стробоскопическое освещение), оптические оси которых направлены под углом 90° друг к другу [366], при ско­ рости съемки 20 кадров в секунду. По синхронным последователь­ ным фотографиям можно оценить, кроме изменения скорости па­ дения снежинок, изменение их ориентации при падении.

Для автоматизации измерения скорости падения снежинок предложено оптическое устройство [33]. При падении снежинки пе­ ресекают широкий пучок света. Световые импульсы, длительность которых обратно пропорциональна скорости падения снежинок, ре­ гистрируются фотоэлементом. Образующиеся электрические им­ пульсы с помощью набора полосовых фильтров разделяются на группы и подсчитываются с помощью механических счетчиков.

Объемная плотность снежинок не измеряется, а вычисляется по их массе и объему. В отличие от объема снежного агрегата, имеющего отдельные выступы или каверны, объем отдельной сне­ жинки простой правильной геометрической формы — величина фи­ зически вполне обоснованная. Обычно за объем снежных хлопьев принимают объем эллипсоида или сферы, описывающей данную структуру. Так как размеры снежинки определяются или по фото­ графиям или визуально, то возможны значительные ошибки в ос­

20