3.4 Атмосферные осадки и их виды. Влияние осадков на полеты

Осадки из облаков. При определенных условиях из облаков выпадают осадки, т.е. капли и кристаллы достаточно крупных размеров, которые не могут удержаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Наиболее типичны дождь и снег. Количество осадков измеряют толщиной слоя жидкой воды, который мог бы образо­ваться после выпадения осадков на горизонтальную непроницае­мую поверхность. Обычно количество осадков измеряют в мм; 1 мм соответствует массе осадков 1 кг, выпавших на площадь 1 м². Интенсивностью осадков называют количество осадков, выпадающих за единицу времени (например, 1 ч).

Генетически, т. е. в зависимости от физических условий обра­зования, осадки подразделяются на следующие виды:

а) Обложные осадки — это продолжительные и распространяю­щиеся на большую площадь осадки в виде дождя или снега средней интенсивности, выпа­дающие из облаков упорядоченного восходящего движения Ns—As, которые связаны с фронтами. Осадки этого типа распределены сравнительно равномерно и продолжаются длительное время. Наибольший процент в общем количестве осадков в умеренных широтах составляют именно обложные осадки.

б) Ливневые осадки — осадки, выпадающие из кучево-дожде­вых облаков в виде дождя, снега, крупы, града. Эти осадки вне­запно начинаются и кончаются, для них характерно резкое изме­нение интенсивности. Выпадение их часто сопровождается грозами и шквалами. Их сравнительно небольшая продолжительность связана с отдельными облаками. В холодной воздушной массе, движущейся над теплой земной поверхностью, ливневой дождь в каждом конкретном пункте иногда продолжается всего несколько минут. При местной конвекции летом над сушей, когда неустойчивость атмосферы существует в течение всего дня и кучево-дождевые облака непрерывно образуются, или при прохождении атмосферного фронта ливневые осадки могут длиться часами. Интенсивность ливневых осадков сильно колеблется. Даже во время одного дождя количество осадков, выпавшее на расстоянии 1-2 км, может различаться на 50 мм.

в) Морось или ледяные кристаллы (при низких температурах) — осадки, выпадающие из плотных слоистых и слоисто-кучевых обла­ков, которые образуются в устойчиво стратифицированных воздуш­ных массах. Вертикальная протяженность этих облаков невелика, поэтому осадки могут выпадать из них только в результате слияния капель. Как правило, моросящие осадки не дают существенного суточного количества влаги.

По форме различают следующие виды осадков.

1. Морось — довольно однородные осадки, состоящие из мел­ких капель (радиусом меньше 0,25 мм), которые почти не имеют направленного движения и кажутся плавающими в воздухе. Выпа­дает морось из слоистых (St) и слоисто-кучевых (Sc) облаков, а также при рассеивании тумана. Интенсивность осадков при мо­роси не превышает 0,25 мм/ч, скорость падения капель в непо­движном воздухе менее 0,3 м/с.

2. Дождь — жидкие водяные осадки, состоящие из капель ради­усом более 0,25 мм. Наблюдения показывают, что капли радиусом больше 2,5 - 3,2 мм не встречаются — они сплющиваются и разби­ваются на более мелкие. Скорость падения капель дождя достигает 8—10 м/с. Дождь выпа­дает из слоисто-дождевых (Ns) и кучево-дождевых (Cb) облаков, а также иногда из высокослоистых (As).

3. Снег — твердые осадки в виде кристаллов (снежинок). Наб­людается исключительно большое разнообразие форм снежинок. Наиболее простые из них иглы, столбики и пластинки. Кроме того встречаются многочисленные усложненные формы снежинок. Размеры отдельных снежинок могут быть весьма различными. Наибольшие линейные размеры обычно имеют игольчатые звезды (их радиус достигает 4-5 мм). Снежинки часто соединяются между собой и выпадают в виде больших хлопьев. Радиус хлопьев снега колеб­лется от 0,5 мм до 5 см; наблюдались хлопья радиусом до 15 - 20 см.

4. Мокрый снег — это осадки в виде снежинок и капель или тающих снежинок. Мокрый снег образуется тогда, когда вблизи земной поверхности температура близка к 0°С или несколько выше.

5. Крупа — осадки, состоящие из ледяных и сильно обзерненных снежинок радиусом от долей до 7,5 мм, которые образуются в результате замерзания переохлажденных капель воды и обзернения снежинок.

6. Град — частицы шарообразной формы с ледяными прослой­ками различной плотности. Радиус частиц 1-25 мм (наблюда­лись случаи выпадения градин радиусом более 15 см). Крупные градины имеют слоистое строение. В центре расположено матовое белое ядро, похожее на снежную крупу. Ядро обтянуто слоем про­зрачного льда. Далее идут попеременно прозрачные и непрозрач­ные слои льда. Градины образуются в кучево-дождевых облаках в результате слияния переохлажденных капель воды с зернами крупы, при кото­ром происходит замерзание капель. Наиболее крупные градины образуются вследствие смерзания более мелких градин.

Осадки из облаков выпадают в том случае, если часть капель или кристаллов укрупняется. Когда облачные элементы становятся настолько тяжелыми, что сопротивление и восходящие движения воздуха больше не могут удерживать их во взвешенном состоянии, они выпадают из облака в виде осадков. Укрупнение капель до нужных размеров не может происходить только путем конденсации, в первую очередь они укрупняются путем слияния. Если капли заряжены разноименными электрическими зарядами, то это способствует их слиянию. Столкновению капель способствует и турбулентность. Однако обильные осадки выпадают только при одновременном присутствии в облаках как жидких капель, так и кристаллов, т.е. из смешанных облаков. Именно такими являются высокослоистые, слоисто-дождевые и кучево-дождевые облака. Укрупненные за счет сублимации кристаллы начинают выпадать из верхней части облака, где они преимущественно находятся. По мере падения они могут сталкиваться с переохлажденными каплями и примораживать их к себе и еще более увеличиваться в размерах. Таким образом в нижней части облака появляются крупные кристаллы. Если температура воздуха в нижней части облака выше нуля, кристаллы превращаются в капли, которые выпадают в виде дождя.

Влияние осадков на полет сказывается в основном за счет явлений, им сопутствующих. Обложные осадки (особенно морось) занимают часто большие площади, сопровождаются низкой облачностью и сильно ухудшают видимость. Зимой при полетах по правилам визуального полета во время снегопада значительно снижается контрастность всех предметов на земной поверхности, что сильно осложняет ориентировку по наземным объектам. Поэтому в обложных осадках, особенно на малых высотах, полет затруднен. При обложных осадках вследствие трения капель и снежинок о поверхность ЛА могут возникнуть значительные потенциалы статического электричества. При наличии переохлажденных капель в них происходит обледенение ЛА, особенно опасное для вертолетов. Длительные обложные дожди приводят к размоканию грунта, выводят из строя на определенное время грунтовые аэродромы.

В ливневых осадках фронтального характера полет затруднен из-за резкого ухудшения видимости и усиления ветра. При сильном дожде капли могут частично блокировать отверстие приемника воздушного давления и вызвать занижение показаний указателя скорости. Крупный дождь нарушает нормальное всасывание воздуха и уменьшает обороты компрессора реактивного двигателя. Осадки сильно осложняют посадку самолета. Особенно опасен в полете град – чем больше скорость полета, тем тяжелее последствия его взаимодействия, разрушение градинами остекления кабин самолетов. Выпавшие на ВПП ливневые осадки (мокрый снег, слякоть) значительно осложняют управление передней ногой шасси и торможение основных колес самолета из-за резкого снижения сцепления с поверхностью ВПП. При разбеге самолета его колеса отбрасывают воду и слякоть в виде мощных струй. При этом самолет испытывает сильное торможение, и длина его разбега значительно увеличивается. При определенных условиях самолет может даже не достигнуть скорости отрыва. Это явление называется гидроглиссирование.

Наземные гидрометеоры. Если температура воздуха, соприкасающегося с земной поверхностью (почвой, растениями, предметами), оказывается ниже точки росы, то может начаться процесс конденсации водяного пара непосред­ственно на земной поверхности, сопровождающийся формирова­нием таких видов наземной конденсации, как 1) роса и иней, 2) твердый и жидкий налет, 3) изморозь.

Роса и иней. Основной причиной образования росы служит потеря тепла земной поверхностью под влиянием излучения в ноч­ное время суток. При достижении температурой воздуха точки росы и последующем дополнительном охлаждении происходит конденсация водяного нара. В общем случае пар конденсируется как в воздухе (туман), так и на земной поверхности (роса). Од­нако в тех случаях, когда воздух достаточно чистый (мало ядер конденсации), или резко выражена инверсия температуры, конденсация водяного пара происходит преимущественно на земной поверхности — выпадает роса. При этом сначала на по­верхности (почве, растениях, предметах) образуются мелкие капли, которые сливаются затем в более крупные. Если темпе­ратура земной поверхности ниже 0°С, то на острых выступах, неровностях, кристаллических частицах водяной пар может на­чать сублимироваться (переходить в твердое состояние — лед). Этот процесс сопровождается образованием твердой росы, или инея. Отметим, что условия выпадения инея более мягкие, чем росы: достаточно достичь состояния насыщения по отноше­нию ко льду, чтобы началась сублимация водяного пара (при этом относительная влажность воздуха вблизи земной поверхности может быть существенно меньше 100%).

Согласно наблюдениям, в умеренных широтах роса может дать слой осадков толщиной 0,05—0,15 мм за ночь и 10—50 мм за год. Наиболее обильная роса выпадает весной и осенью, поскольку летом температура воздуха не всегда опускается ниже точки росы. Наиболее обильные росы выпадают при высокой абсолютной влажности воздуха, на сухих взрыхленных почвах (мала тепло­проводность), в ясную (велико эффективное излучение) погоду при слабом ветре. Обильная роса и иней осаждаются также на предметах (досках, крышах и др.), обладающих низкой теплопро­водностью.

Жидкий и твердый налет, в отличие от росы и инея,— явление, обусловленное сменой погоды: после продолжительных сильных морозов наступает резкое потепление. Теплый воздух, поступаю­щий на сильно охлажденную поверхность, соприкасаясь с холод­ными предметами (наветренными стенами зданий, камнями, ас­фальтом дорог и др.), охлаждается, водяной пар достигает насы­щения, а при дальнейшем охлаждении и конденсируется. Так, на холодных (достаточно массивных) предметах формируется пленка воды, которую и называют жидким налетом. Если периоду потепления предшествовали сильные морозы, то возникает твер­дый налет, подразделяемый на кристаллический, зернистый и ле­дяной. Усилению налета, кроме конденсации водяного пара, способствует осаждение на предметах капель тумана, который обычно образуется в теплом воздухе.

Изморозь представляет собой белый рыхлый, снеговидный осадок, образующийся на ветвях деревьев и кустарниках, на теле­графных столбах и проводах, на выступах и углах зданий. Обра­зуется она или путем сублимации водяного пара (кристалличе­ская изморозь), или в результате намерзания капель переохла­жденного тумана (зернистая изморозь). Оба процесса при темпе­ратуре выше –30⁰ С протекают, как правило, при тумане. В отличие от инея, изморозь образуется в любую часть суток, чаще всего в морозную туманную погоду, когда в воздухе плавают ледяные кристаллы (алмазная пыль).

Гололед — это явление осаждения и последующего замерзания (при столкновении) переохлажденных капель мороси или дождя преимущественно на наветренной стороне различных предметов и на земной поверхности. Образующийся при этом слой плотного льда может достигать нескольких сантиметров. Гололед наблюдается обычно в начале и конце зимы при температуре воздуха от 0 до –7°С. Ветер при этом 2-7 м/сек. Редко возникает гололед при сильном ветре, как правило, при прохождении холодного фронта. Нередки такие зимы (особенно в приморских райо­нах), когда гололед образуется в течение всей зимы. Продолжительный гололед бывает в зоне теплого фронта, в теплом секторе циклона и на западной периферии антициклонов во влажных устойчивых воздушных массах. Гололед на ВПП затрудняет взлет и посадку самолетов. Торможение на скользкой поверхности ВПП, приводит к самопроизвольному развороту самолета, потере управляемости. На стоянке гололед откладывается на поверхности самолета, ухудшая аэродинамические качества. Наземные ледяные отложения на поверхности самолета являются активными возбудителями обледенения, если самолет после взлета попадает в облака. К наземным видам обледенения также относятся иней и изморозь.

Принципиальное отличие гололеда от твердого налета состоит в том, что при образовании твердого налета сублимация водяного пара осуществляется непосредственно на холодной земной поверх­ности, в то время как гололед формируется под влиянием замер­зания капель осадков, образовавшихся в атмосфере и затем вы­падающих на земную поверхность

Обледенение (родственное гололеду явление) — процесс оса­ждения и замерзания (при соударении) переохлажденных капель облаков, туманов и осадков на различных частях самолетов и других летательных аппаратов, а также наземных и водных ви­дов транспорта (автомобили, суда, поезда и др.).

36