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

после помещения в нее градин с температурой, близкой к 0°С. Не­ трудно показать, что

Этот метод не абсолютный и нуждается в градуировке, которая производится непосредственным помещением в калориметр различ­ ного количества льда и воды при температуре 0°С. Ошибки этого метода ±0,1 г.

Для исследования внутренней структуры градин они разреза­ ются по максимальному медианному сечению, либо делаются тон­ кие срезы толщиной 0,3—3 мм, которые изучаются как в естест­ венном, так п в поляризованном проходящем плп отраженном свете. Для получения срезов предварительно охлажденную гра­ дину обрабатывают острым ножом, раскаленной проволокой или при помощи специального станка типа фрезерного [249].

Наибольшая трудность при приготовлении срезов — получение разрезов через ядро градины, ибо центр ядра, как правило, не совпадает с геометрическим центром градины.

Обычно производится последовательное срезание с двух сторон до тех пор, пока при очередном срезе не будет получено сечение, близкое к сечению, сделанному через центр ядра. Градины с та­ кими срезами при температуре хранения ниже — 10° С не изменяют своей структуры в течение длительного времени.

Кроме фотографирования, для исследования кристаллографиче­ ской структуры применяется метод реплик [96, 222, 328, 329]. Пре­ имущество этого метода перед непосредственным фотографирова­ нием состоит в том, что для кристаллографических исследований в этом случае достаточно получить разрез градин, а не готовить тонкие срезы. Кроме того, разрешающая способность метода реп­ лик выше, по ним можно определить структуру с характерными размерами до 10 мкм, в то время как в тонких срезах только до 200 мкм.

Приготовление реплик для срезов градин аналогично методике получения реплик сложных кристаллов. Однако для определения более четкой картины срезы предварительно полируются. Приготов­ ление одной реплики занимает около 1 часа времени (сюда же входит время, затраченное на полировку и осаждение на срезы паров формвара).

Скорость падения гладких сферических градин можно вычис­ лить, если известны их диаметр и масса. Однако в большинстве случаев градины имеют неправильную геометрическую форму с от­ дельными выступами и впадинами. В этом случае одним нз мето­

26

дов определения скорости является измерение коэффициента тре­ ния градины [245, 249]. С этой целью градина или ее модуль об­ дувается в аэродинамической трубе при различной ориентации. Как известно,

няя угол наклона модели или градины к оси потока, можно пост­ роить зависимость коэффициента сопротивления от ее ориентации в потоке. Однако этот метод несовершенен, так как за счет мелких нерегулярностей формы градины обычно кувыркаются или враща­ ются, поэтому коэффициент сопротивления меняется.

Более надежным методом является непосредственное измерение скорости падающей градины по времени пролета ее между двумя уровнями [66]. В приборе Молоканова градина последовательно пролетает через два ориентированных горизонтально пучка света. Скорость падения градин вычисляется по времени пролета между двумя уровнями. Затем градина улавливается, измеряется ее вес, объем и форма. Прибор достаточно прост и может применяться в полевых условиях.

Применение для определения скорости падения градин доппле­ ровских радиолокационных станций с вертикально ориентирован­ ным лучом может привести к большим ошибкам [99]. Объясня­ ется это тем, что образование града происходит при наличии в об­ лаках мощных восходящих потоков, величина которых соизмерима со скоростью падения градин. В результате скорость падения гра­ дин в воздухе (фактическая скорость падения в спокойном воз­ духе) II скорость падения относительно земли (скорость, измеря­ емая радиолокатором) могут существенно отличаться друг от друга. Кроме того, при использовании этого метода плотность и форма градин не определяется, что существенно снижает ценность по­ лучаемой информации. Именно этим объясняется то, что метод не получил широкого распространения.

Изучение распределения градин по величине началось срав­ нительно недавно, ранее исследователи обращали внимание, по существу, только на экстремальные значения веса или размера. Наиболее простым способом получения данных о распределении градин по размерам является непосредственное измерение размера или веса градин, выпадающих на некоторую поверхность за опре­ деленное время. Так как большие градины, падая на твердую под­ ложку, часто раскалываются, сбор града обычно ведется с поверх­ ности, покрытой невысокой травой или слоем песка.

Для автоматизации процесса измерения распределения градин по размерам М. П. Завертнев [29] сконструировал прибор, основан­ ный на сепарации градин при их перемещении через систему лот­ ков. Градины через большую воронку попадают на наклонный

27

приемный лоток с отверстиями различной величины. Диаметры отверстий в лотках увеличиваются с расстоянием от верхних к ниж­ ним лоткам. Под каждой группой отверстий одного размера по­ мещаются приемники, куда скатываются градины, размер которых меньше размера отверстий. По количеству воды, оказавшейся в приемниках после плавления градин, при условии, что градины имеют постоянную плотность и форму, можно судить о их концен­ трации. Таким образом, этот метод также не является абсолютным, ибо для вычисления распределения необходимо вводить ряд пред­ положений о форме и плотности градин.

При оценке разрушительной силы града основными парамет­ рами является их кинетическая энергия и количество. Исходя из этих соображений был разработан ряд приборов и устройств, при помощи которых непосредственно измеряется распределение вы­ павших градин по величине кинетических энергий. Используя раз­ личные предположения о плотности и форме градин, можно перей­ ти от распределения по энергиям к распределению по массам и размерам. Наиболее простое устройство подобного типа — корытце размером 150X150 мм, заполненное пластилином. Градины остав­ ляют в слое пластилина вмятины, площади которых пропорцио­ нальны энергии выпавших градин. При ветре вмятины имеют овальную форму, одиако величина произведения двух взаимно пер­ пендикулярных диаметров не зависит от ветра. При измерениях предполагается, что плотность градин порядка 0,9 г/см3. Предло­ женный метод не абсолютный, градуировка осуществляется при помощи стальных шариков различного диаметра, падающих с вы­ соты 10 м. Изменение плотности градин на 10% приводит к ошиб­ кам в измерении энергии на аналогичную величину [129, 333].

Видоизменением вышеуказанного метода является метод фоль­ ги. Листы тонкой алюминиевой фольги помещаются на мягкую подложку и выставляются при выпадении града. Градины при уда­ ре оставляют на листах фольги отпечатки, площадь которых про­ порциональна энергии падающей градины. Преимущество исполь­ зования фольги перед пластилином состоит в получении более устойчивых отпечатков, что позволяет не вести обработку непосред­ ственно после выпадения града.

Более совершенным является метод, основанный на измерении количества движения падающих твердых частиц [142]. Он, по су­ ществу, является модификацией микрофонного метода, применя­ емого для измерения капель в дождях. В измерительном устройстве в качестве мембраны используется толстая пластинка. При ударе градины пластинка приобретает некоторое количество движения, измеряемое посредством электронной схемы, аналогичной исполь­ зуемой в сейсмографах.

Естественно, что количество движения, полученное пластинкой, определяется формой, плотностью и упругостью градин. Однако при некоторых допущениях в значениях указанных параметров с помощью этого метода можно достаточно быстро и оперативно получить распределение градин по величине, массе или диамет­

28

рам. Для градин сферической формы, имеющих массу тг и ско­ рость падения ѵт, зависимость диаметра clr от плотности градины рг и коэффициента сопротивления C D определяется выражением

в пространстве приходится пользоваться вычислениями, основан­ ными на измеренных значениях скорости падения, что не всегда возможно. Для градин правильной геометрической формы скорость падения может быть вычислена, а для градин неправильной фор­ мы ограничиваются приближенными значениями.

Кроме исследования естественных градин, широкое распростра­ нение получили методы моделирования процессов образования градин.

Моделирование процессов образования градин производится в аэродинамических трубах, в которых можно создавать направ­ ленный вверх поток переохлажденных капель облачного диапазона [98, 210, 245, 246, 247, 265, 266]. Так как градины формируются на высоте в несколько километров, то для максимального при­ ближения к естественным условиям рабочее давление внутри тру­ бы поддерживается ниже атмосферного [250]. В трубах поток пе­ реохлажденных капель создается с помощью набора форсунок, распыляющих дистиллированную воду. Применяя различные форсунки, удается получить капли различного размера и концентра­ ции. При проведении экспериментов непрерывно контролируется и измеряется скорость потока воздуха, его температура и давление, концентрация частиц аэрозоля и водность. В аэродинамических трубах в основном исследовался рост слоя льда, образующегося за счет осаждения переохлажденных капель облачного диапазона на цилиндрах, вращающихся с постоянной скоростью. Закономер­ ности роста слоя на цилиндре несколько отличаются от закономер­ ностей роста естественных градин, которые имеют сложную фор­ му, бугристую поверхность и вращаются вокруг центра, а не оси.

При исследовании осаждения на вращающихся цилиндрах уда­ лось получить только качественные закономерности, более или менее удовлетворительно согласующиеся с результатами наблюде­ ний за естественными градинами. Значительно лучшее согласова­ ние между параметрами искусственных и естественных градин было получено в аэродинамических трубах, где искусственные градины «подвешивались» в потоке водяного аэрозоля [98]. Этот ме­ тод позволяет также измерять скорость падения градины и коэф­ фициент сопротивления (по измеренной скорости воздуха в том ме­ сте потока, где градина «зависала»).

29