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

новном за счет большого субъективизма в выборе размеров опи­ сывающей поверхности. Как правило, отдельные, особенно боль­ шие и тонкие, выступы не рассматриваются.

Для измерения распределения снежинок п снежных хлопьев по величине или по эквивалентным диаметрам они улавливаются на листы фильтровальной бумаги или слои масла. При этом, в от­ личие от дождей, наблюдаются два вида распределения: по разме­ рам или массам отдельных кристаллов, выпадающих отдельно или объединенными в хлопья, и по размерам отдельных частиц и аг­ регатов. Снежный агрегат, состоящий из десятков пли даже сотен отдельных кристаллов, считается одной частицей. Изучение рас­ пределения элементарных частиц проще всего производить мето­ дом их улавливания в кюветы с маслом и последующего двойного фотографирования проб (до и после плавления). В снежных хлопь­ ях снежинки механически слабо друг с другом связаны и обычно легко распадаются на отдельные элементы. Случаи, когда снежин­ ки не расцепляются и при плавлении образуют одну каплю, легко «отбраковываются».

Для измерения распределения частиц снегопадов по эквива­ лентным диаметрам применяется либо их пространственное фото­ графирование, либо улавливание в кюветы с маслом, на фильтро­ вальную бумагу или на подложку из меха с последующим перенесением капель воды от снежинок на листы фильтровальной бумаги. Методика улавливания на твердую подложку хорошо заре­ комендовала себя при измерении распределения при температуре несколько большей 0°С [169, 307], когда снежные агрегаты за счет частичного подтаивания приобретают большую механическую прочность и не распадаются при падении.

При улавливании снежных хлопьев при отрицательной темпе­ ратуре никогда нельзя быть уверенным в том, что часть снежных хлопьев не распадается на составные элементы. Метод объемного фотографирования свободен от этих недостатков, однако при его применении первоначальное распределение получают в виде функ­

тальный.

Объемное фотографирование производится только в ночное время [50]. При помощи импульсной лампы большой мощности и линзы создается плоский пучок света (ось параллельна поверх­ ности земли), перпендикулярно которому на некотором расстоя­ нии помещается фотоаппарат (оптическая ось горизонтальна). Фокальная плоскость аппарата располагается в центре плоскопараллельного пучка света. При вспыхивании лампы все частицы, попавшие в объем, ограниченный ушлом зрения фотоаппарата, будут сфотографированы. На одном кадре делается большое коли­ чество отдельных снимков, так как фотографирование производится на «черном» фоне.

В целом методика исследования снегопадов очень громоздка. Объясняется это прежде всего тем, что масса, скорость падения и

21

•форма отдельных частиц не однозначно связаны с их эквивалент­ ными диаметрами. Для получения достаточно полной информации о снегопаде необходимо измерять несколько параметров и иссле­ довать их взаимосвязь, которые меняются не только от снегопада к снегопаду, но и в течение одного снегопада.

Так как исследование свойств отдельных частиц снегопадов до­ статочно трудоемкая операция, большое распространение получили методы исследования на моделях, имитирующих характерные фор­ мы снежных кристаллов. На моделях исследовались скорость и по­ ведение частиц при падении [132, 193, 195, 355]. При использовании моделей изучалось поведение снежинок различных геометрических форм, что позволило установить ряд характерных особенностей при падении кристаллов различной формы.

Вопытах Накайя [298] снежинки подвешивались на тонких нитях

иобдувались слабым потоком воздуха с заданными параметрами. Форма образующихся снежинок определялась визуально и по фо­ тографиям. К недостаткам установок такого рода следует отнести то, что условия роста подвешенной снежинки отличаются от усло­

диаметром 28 см и длиной 15 м создается поток воздуха с задан­ ными свойствами или поток облачных частиц, в котором подвеши­ вается или выпадает искусственная снежинка. Через каждые 3 м высоты в трубе имеются окна для визуальных наблюдений и фото­ графирования образующихся и выпадающих снежинок.

1.3. Исследования градин

Градины образуются и растут при температуре ниже 0°С, а вы­ падают (в условиях равнинной местности) при положительной температуре. Обычно выпадение града сопровождается выпаде­ нием капель дождя.

Для измерения количества льда и отдельно воды автором был предложен градодождемер, который в дальнейшем был усовершен­ ствован [16]. Градодождемеры представляют собой сосуды с при­ емным отверстием 200—300 см2, внутри которых под углом 45° по­ мещается направленный вниз экран. Под этим экраном под углом 45° расположен еще один экран из металлической сетки, также направленный вниз. Нижняя часть сосуда разделена перегородкой, образующей два отделения. В одно отделение по первому наклон­ ному экрану и далее через сетку стекает вода, в другое — по первому и второму наклонным экранам попадают градины. Кон­ струкцией предусмотрено, чтобы жидкая вода не попадала в от­ деление для твердых осадков. Приборы подобной конструкции предназначены только для определения количества воды, находя­ щейся в твердых и жидких осадках.

Для сбора градин с целью их последующего изучения применя­ ется прибор аналогичной конструкции, разработанный Карцивадзе

.22

и Махарашвили [36], но отличающийся тем, что отделение для града представляет собой стакан, помещенный в контейнер, охлаждае­ мый посредством водного раствора роданистого калия. Стакан ча­ стично заполняется охлажденным керосином, что препятствует смерзанию попавших в него градин [36]. С помощью этого прибора градины могут быть исследованы как непосредственно во время градобития, так и спустя некоторое время.

Оба описанных прибора обладают одним существенным недо­ статком— не дают возможности фиксировать начало выпадения града и его продолжительность.

Для измерения интенсивности града автором был сконструиро­ ван весовой градограф, в котором дно приемного сосуда выполнено в виде сетки. Капли дождя, проходя через сетку, не вызывают от­ клонения системы, а вес градин, задержанных сеткой, фиксируется на ленте. Попавшие в приемный сосуд градины тают, вода вытекает через сетчатое дно. Так как время таяния значительно больше времени выпадения града, по кривой градографа можно достаточно просто определить интенсивность и количество выпав­ шего града.

Для одновременного измерения интенсивности дождя (особенно выпадающего вместе с градинами) применяется обычный поплав­ ковый плювиограф, приемное отверстие которого закрыто выпук­ лой сеткой с ячейками 3X3 мм. Капли воды свободно проникают через сетку, а градины отскакивают от сетки и в приемное отвер­ стие прибора не попадают.

Большинство исследований градин произведено сразу же после выпадения их на землю. Наилучшей подстилающей поверхностью для сбора градин является земля, покрытая негустой травой. Тра­ ва смягчает удар и уменьшает вероятность раскалывания градин при падении [246, 247]. Если при сборе градин не ставится задача исследования их температуры или содержания в них воды, то гра­ дины улавливаются в охлажденное масло, керосин или тетрамин. Наилучшим следует признать метод улавливания в тетрамин или какуюглибо другую маслянистую жидкость, не растворяющую лед и не поглощающую воду [247]. В случае когда предполагается ис­ следование внутренней структуры градин, их плотности или фор­ мы, они собираются в полиэтиленовые мешочки и помещаются в хо­ лодильник при температуре — 10, —20° С , При такой температуреградины сохраняют свою форму без заметного изменения в тече­ ние двух лет. При более высоких температурах (выше —5° С) внутренняя структура градины может изменяться за счет рекри­ сталлизации [213]. Рекристаллизация, не изменяя формы градин,, приводит к изменению формы и размеров образующих ее кристал­ лов льда.

Масса градин измеряется путем простого взвешивания; ввиду их большого размера такие измерения трудностей не представ­ ляют. Кроме того, масса градин может быть определена по объему воды, образующейся после их плавления.

23−

Форма градин и их характерные размеры определяются или не­ посредственными измерениями при помощи приспособлений типа штангенциркуля [36], или их фотографированием на контрастной подложке совместно с масштабной линейкой, расположенной на уровне максимального горизонтального сечения. Если градины имеют неправильную форму, то воссоздать их форму трудно даже по серии фотографий с разных направлений. Лучшие результаты в этом отношении дает применение стереофотографированпя. Если не ставится задача дальнейшего исследования градин, то их форма может быть сохранена при помощи слепка. Градина со всех сторон покрывается слоем пластилина. После плавления градины вода вы­ ливается через небольшое отверстие. Через это же отверстие внутрь образовавшейся полости заливается жидкий раствор гипса.

к сферической, определяется на основе вычисления объема по из­ меренным размерам и взвешиванием, однако, если градина имеет неправильную форму, использование этого метода приводит к боль­ шим ошибкам. Поэтому более надежный метод определения плот­ ности градин — измерение их плавучести.

Плавучесть определяется при погружении градины, насажен­ ной на тонкую спицу, в жидкость с известной плотностью. Если спица закреплена на коромыслах весов, то можно одновременно определить вес и объем градины.

Для более быстрого определения плотности градин применяют набор жидкостей с различной плотностью, в которые последова­ тельно погружают градину. Величины плотностей двух жидкостей, в одной из которых градина тонет, а в другой плавает, определяют область, внутри которой заключена плотность градины. Этот метод пригоден только для определения плотности, а вес и объем не мо­ гут быть определены.

П . П. Махарашвили [63] предложил метод непосредственного измерения плотности градин, их пористости, содержания в них жидкой воды. Принцип измерения основан на уменьшении объема системы, состоящей из смеси градин и жидкости при полном тая­ нии градин.

По изменению объема градовых частиц при плавлении ДѴ, объема воздуха ДѴ', содержащегося в градинах и выделяющегося при таянии, и массы градин тѵ можно рассчитать для градин среднюю объемную плотность рг, пористость о (отношение объема

Рв — Рл

24

где рв — плотность воды, рл — плотность льда (рл=0,917 г/см5). При расчетах принимается, что давление воздуха в пузырьках рав­ но атмосферному.

Устройство для регистрации величин А У и АѴ' представляет со­ бой цилиндр с поршнем. В цилиндр помещаются градины общей массой шг, которые затем заливаются жидкостью так, чтобы она полностью вытеснила воздух, содержащийся внутри прибора. Верх­ няя часть поршня соединяется с измерительными трубками, поз­ воляющими точно фиксировать изменение объема при таянии и. количество выделившегося воздуха. Точность измерения при

вило, имеют слоистую структуру, причем плотность слоев разная. Для определения плотности отдельного слоя применяется мето­ дика, разработанная Витори, Копорико и Маклиным и усовершен­ ствованная Листом, Кантином и Ферландом [251]. Предварительно охлажденная градина распиливается по диаметру и точно взве­ шивается. Затем в слоях высверливаются отверстия глубиной 3— 5 мм и диаметром 2,5—4 мм, после чего градины снова взвешива­ ются. По изменению веса и объема градины за счет высверленных отверстий (при условии, что известно, какие именно слои были высверлены) можно рассчитать плотность льда в каждом слое. Этот метод очень громоздкий и не очень точный, так как слои не всегда представляют собой концентрические окружности и имеют достаточную толщину. Поэтому сверление может привести к усред­ нению плотности по двум или более слоям. Применение этого ме­ тода для измерения плотности слоев, имеющих толщину 1—2 мм, — технически трудная задача.

Более совершенным является рентгенографический метод [318, 319]. Из градины вырезаются пластинки толщиной 1—3 мм, кото­ рые затем фотографируются на просвет в рентгеновских лучах. Плотность почернения на пластинке пропорциональна плотности слоя градины рг

через исследуемые слои.

Кроме пузырьков воздуха и различных включений, внутри гра­ дины может находиться и незамерзшая жидкая вода. Для опре­ деления ее количества предложено два метода, один из которых основан на определении изменения объема при плавлении градины [63], другой — калориметрический [161]. Калориметрический метод основан на измерении температуры жидкости в калориметре до и

25