2.Збільшення хмарних елементів

Для випадіння продукту конденсації з хмари необхідно, щоб швидкість їх випадіння перевищувала швидкість висхідних рухів повітря, таким чином випадіння крапель чи льодяних кристалів з хмар відбувається в тому випадку, якщо розміри цих часток збільшуються на стільки, що висхідні рухи не можуть їх утримувати в завислому стані. В таблиці 1 наведено приклади швидкості падіння крапель залежно від їх діаметра

Залежність швидкості падіння крапель від їх діаметра

Таблиця 1

№	Параметр	Опади
		Мряка		Помір-ний дощ	Дуже сильний дощ	Злива	Граничний розмір крапель
1	2	3	4	5	6	7	8
1.	Діаметр крапель (мм)	0,1	0,2	1,0	2,0	3,0	7,0
2.	Швидкість падіння крапель (м/с)	0,25	0,75	4	6	7	8

З таблиці 1 видно, що чим більший розмір крапель, тим більша швидкість їх падіння. Сніжинки, що мають таку саму масу, що і краплі, падають з меншою швидкістю. Встановлено, що швидкість падіння сніжинок лежить в межах від 0,1 до 1 м/с.

Рідинні та тверді елементи хмар мають дуже малі розміри та масу. Швидкість падіння цих часток також досить мала (менше 1 м/с). Під впливом навіть слабких висхідних потоків такі краплі або кристали підтримуються в завислому стані або піднімаються догори, а за наявності сильних висхідних потоків догори заносяться навіть великі краплі. Так, наприклад, при швидкості висхідних потоків 7 м/с з хмари можуть випадати краплі діаметром більше 3 мм.

Розміри крапель, що випадають з хмар, коливаються в значних межах (від 0,05 до 7 мм в діаметрі). Дощові краплі діаметром більше 7 мм розпадаються при своєму падінні на більш дрібні. Щоб досягти розмірів, достатніх для випадіння з хмари, частинки повинні збільшитись. Збільшення хмарних елементів може відбуватися

• в результаті конденсації;

• шляхом злиття крапель або зчеплення кристалів між собою під час їх зіткнення.

Процес збільшення розмірів цих часток, що відбувається за рахунок їх злиття, називають коагуляцією. Конденсаційне зростання розмірів хмарних елементів може відбуватися в хмарах, що складаються з крапель різного розміру. Тиск насиченої пари над мілкими краплями більший, ніж над великими. Тому за одних и тих самих значень вологості повітря може бути не насиченим водяною парою над поверхнею мілких крапель, але перенасиченим водяною парою над поверхнею більш крупних крапель. В такому випадку створюються умови для випаровування найдрібніших крапель та конденсації водяної пари на більш крупних краплях. Краплі хмарних часток за рахунок конденсації з початку зростають порівняно швидко: за декілька секунд їх радіус збільшується в 2-3 рази. Зі збільшенням розмірів (r > 0,01 мм) їх зростання уповільнюється і для утворення великих крапель (r > 0,1 мм) за звичайних умов, що спостерігаються в хмарах, необхідно декілька годин. Оскільки зі збільшенням проміжку часу краплі ростуть дуже повільно, в результаті конденсаційного зростання в хмарах повинні з’явитися порівняно дрібні краплі, переважно однорідного розміру. Таким чином, конденсація водяної пари відіграє головну роль в період утворення зародкових крапель і значно впливає на зростання найдрібніших крапель. Але конденсаційне зростання не може призвести до утворення достатньо великих дощових крапель.

Якщо хмара складається з суміші водяних крапель та льодяних кристалів, то тиск насиченої пари над поверхнею льодяних кристалів буде меншим, ніж над поверхнею крапель води. В результаті цього відбувається сублімаційне зростання льодяних кристалів, а краплі можуть при цьому навіть випаровуватись. Тобто відбуватиметься зростання твердих елементів та випаровування рідинних. В цьому випадку створюються найбільш сприятливі умови для збільшення хмарних елементів та утворення опадів. Таким чином, хмари, що складаються з водяних крапель різного розміру або з суміші водяні крапель та льодяних кристалів, за певних умов можуть спричинювати опади, але дуже помірні. Якщо процес конденсації відіграє головну роль в зростанні мілких крапель, то для утворення крупних крапель з великою масою потрібен коагуляційний зріст хмарних елементів.

Коагуляція хмарних елементів може бути зумовлений різними факторами. Дрібні краплі можуть зливатися в результаті хаотичних молекулярно-теплових рухів (броунівський рух). Однак розрахунки показують, що злиття хмарних елементів під дією броунівського руху відбувається дуже повільно.

Турбулентні рухи в хмарах також можуть спричинити зіткнення крапель між собою, злиття їх та утворення більш великих. В цьому випадку коагуляція відбуватиметься швидше, ніж під дією броунівського руху.

Коагуляція в хмарах відбувається в результаті неоднакової швидкості падіння крапель. Великі краплі під дією сили тяжіння падають з більшою швидкістю, ніж дрібні. Більша крапля доганяє дрібнішу, зіткається з нею та захоплює її. Коагуляція, що відбувається таким чином називається гравітаційною. Саме вона відіграє головну роль в процесі зростання великих крапель крапель. Отже основною причиною зіткнень хмарних крапель, що приводить до їх злиття та росту до розмірів дощових крапель, є сила тяжіння.

Слід відмітити, що не всі краплі при зіткненні можуть зливатися одна з одною. За результатами досліджень злиття крапель з плоскою плівкою води М.А. Аганін встановив, що злиття крапель може відбуватись лише в тому випадку, якщо швидкість зіткнення їх більше певної критичної швидкості [1]. При меншій швидкості краплі будуть відштовхуватися одна від одної. Причина цього явища полягає в тому, що кожна крапелька оточена плівкою адсорбованого повітря з більшою щільністю. Ця плівка і є перешкодою для злиття крапель при малих швидкостях падіння при зіткненні.

Деякий вплив на коагуляцію здійснюють електричні заряди крапель. Однойменно заряджені краплі намагаються відштовхнутися одна від одної. Краплі, що мають різні заряди, навпаки, притягуються, в результаті чого коагуляція відбувається інтенсивніше. Однак електричні заряди крапель суттєво не впливають на процес коагуляції тому, що заряди крапель зазвичай малі, а відстань між ними значна.