книги из ГПНТБ / Литвинов, И. В. Структура атмосферных осадков

■ отметить, что, если капли при замерзании вращаются, то они по­ крываются равномерной коркой льда, которая при дальнейшем промерзании раскалывается, а осколки разлетаются. В естествен­ ных условиях при замерзании капель в 4—5% случаев на поверх­ ности образуются «шипы», обусловленные замерзанием капель с поверхности и выдавливанием воды из трещин в оболочке [149, 353]. Вероятность образования шипов увеличивается с ростом диа­ метра капель. Полностью замерзшие капли, как правило, имеют трещины, причем трещины появляются уже у частиц диаметром 0 , 1 мм (4% всех капель), а у частиц диаметром 0 , 8 мм их повто­ ряемость увеличивается до 60%.

3.6. Трансформация снежинок при падении

После зарождения в верхней части облака кристаллы льда ра­ стут за счет конденсации п коагуляции с каплями облака. Одно­ временно с регулярным ростом зародышей за счет конденсации, приводящим к образованию частиц правильных форм, на поверх­ ности осевших отдельных капель или кристаллов облака могут возникать различные образования сублимационного характера. При прохождении частиц через переохлажденные слои облака на них осаждаются капли, что ведет к образованию обзерненных снежи­ нок, а затем крупинок.

Во время выпадения частицы соединяются друг с другом, об­ разуя хлопья, которые в дальнейшем также могут объединяться или распадаться на составные элементы. В области с недосыщеннем по отношению ко льду снежные кристаллы испаряются, утоньшаются и разламываются. После прохождения уровня нуле­ вой изотермы снежинки и крупинки тают, превращаясь в капли воды, и на этом заканчивают свое существование в твердом агре­ гатном состоянии. Перечисленные выше процессы, кроме таяния, могут иметь место на всех уровнях от места зарождения до уровня нулевой изотермы.

Рост частиц за счет конденсации и коагуляции целесообразно отнести к процессам формирования частиц, а коагуляцию частиц друг с другом, распад хлопьев и снежинок, испарение и таяние — к трансформации при падении.

Таким образом, при росте частиц увеличивается их масса, а за счет трансформации происходит уменьшение массы снежинок (при испарении), изменяется их скорость падения, форма и агрегатное

т. е. на высоте 5— 6 км она на 30—40% больше, чем на поверхности

100

земли. Вводить более точные формулы, где бы учитывалась также и температура воздуха, нецелесообразно, так как форма частиц, образующихся при различных температурах и пересыщениях, су­ ществующих на поверхности земли и в верхней части облака, раз­ лична, что оказывает на форму растущих частиц, а следовательно, II на скорость их падения значительно больше влияния, чем изме­ нение плотности воздуха за счет температуры (10— 15%). Для более точных расчетов можно воспользоваться формулами (48) — (51), однако эти выражения пригодны только для частиц правильной геометрической формы, т. е. для тонких шестигранников, игл или столбиков.

При объединении снежинок в хлопья их скорость падения в среднем больше скорости падения каждой из частиц в отдель­ ности. В некоторых случаях, например при соединении двух звезд концами лучей, агрегат незначительно изменяет скорость. Однако при образовании хлопьев в основном происходит частичное нало­ жение кристаллов друг на друга, в результате чего масса частиц растет быстрее, чем площадь поперечного сечения. Хлопья, полу­ чившиеся при объединении многих снежинок, как правило, приоб­ ретают более обтекаемую форму, что также способствует увеличе­ нию скорости падения.

Процесс таяния снежинок и снежных хлопьев в слоях воздуха с положительной температурой можно разделить на два этапа: оплавление по краям без существенного изменения формы и стяги­ вание в каплю воды, внутри которой имеется некоторое количество нерастаявшего льда, после того как большая часть льда перейдет в жидкое состояние. При дальнейшем падении лед плавится, но объем капли существенно не меняется, так как плотность льда близка к плотности воды.

Путь, проходимый частицей до начала стягивания в слое воз­ духа с положительной температурой, определяется величиной вер­ тикального градиента температуры воздуха, массой и формой сне­ жинки. Естественно, что тонкие ответвления тают скорее, чем тол­ стые. По визуальным наблюдениям, стягивание отдельных снежинок происходит после прохождения кристаллом пути в несколько десятков метров. Снежные агрегаты из-за экранирования наруж­ ными кристаллами внутренних проходят до стягивания путь в не­ сколько сотен метров.

Путь, проходимый снежинкой до полного таяния, определяется ее массой, первоначальной формой, плотностью, скоростью падения и градиентом температуры в зоне таяния. Так как на сравнительно небольшом пути происходит изменение формы, плотности и ско­ рости падения частиц, а для всех этих величин не получено точных значений, поэтому характер процесса описан только качественно и расчеты довольно приблизительны.

Несколько лучшие результаты получены для частиц, по форме близких к сферическим, а именно для крупинок [64]. Для сфериче­ ских частиц плотностью 0,3 г/смг путь до полного таяния при

101

градиенте температуры воздуха 6,5° С/км и давлении 700 мб опре­ деляется (в км) из выражения

ется при таянии. Образовавшаяся вода проникает с поверхности внутрь крупники между отдельными зернами замерзших облачных капель, в результате чего образуется «губчатый лед» [259]. После

меньшей, чем влажность насы­ щенного водяного пара над поверхностью льда. Зимой, как пра­ вило, из-за того, что нижняя граница облачности расположена на высоте нескольких сотен метров, а на земле имеется устойчивый снежный покров, влажность подоблачного слоя близка к насыще­ нию надо льдом, так что испарение снежинок при падении практи­ чески не имеет места.

При падении в безоблачных промежутках при условиях, близ­ ких к насыщению надо льдом, может иметь место перераспределе­ ние массы кристаллов: испарение в одних местах и рост в других. Этим молено объяснить, что снежинки, помещенные в замкнутое пространство, через несколько часов превращаются в бесформен­ ные комочки поликристаллического льда. Перераспределение пара приводит в ряде случаев к уменьшению механической прочности снелсинок. Так как при этом поток пара направлен от внутренних

102

частей снежинок к наружным, то ослабление прочности приводит к размыванию снежинок сложной пространственной формы на от­ дельные части. Так, из бутылочковых, столбчатых и запонковых ежей возникают бутылочки и бутылочки с пластинками на толстых концах [1 0 , 2 1 1 ].

Аналогичные процессы происходят и с плоскими кристаллами,

вчастности со звездами, что приводит к обламыванию у них лучей.

Вбольшинстве случаев влияние испарения на форму и массу сне­ жинок можно не учитывать [30, 298]. Это обстоятельство позволяет делать заключение об условиях формирования снежинок в облаке по их форме у поверхности земли и внутренней структуре [30, 163, 181, 240, 277, 368].

На всем пути выпадения снежные кристаллы могут коагулиро­ вать друг с другом, превращаясь в снежные хлопья. Снежные хлопья, попадая в слои воздуха со значительной турбулентностью, могут вновь распадаться на отдельные снежники.

Непосредственные наблюдения показывают, что в среднем по большому числу наблюдений относительные размеры кристаллов в снегопадах с высотой уменьшаются, а их концентрация растет. Рост концентрации происходит в основном за счет мелких кристал­ лов (/<30 мкм) [11]. Рассчитанная скорость роста концентрации кристаллов сходна с экспериментальными ее значениями только по порядку величин.

Как правило, для снегопадов, кроме распределения хлопьев по эквивалентным диаметрам (размерам), можно построить распреде­ ление элементарных частиц по эквивалентным диаметрам (разме­ рам). В данном случае под элементарными частицами следует по­ нимать частицы, выпадающие отдельно, или частицы, из которых состоят снежные хлопья.

Если в подоблачном слое влажность близка к насыщению над поверхностью льда, то распределение элементарных частиц по эк­ вивалентным диаметрам при их выпадении не меняется. Частицы не растут и не испаряются, а их соединение в хлопья изменений в распределении не вызывает. Однако распределение по эквива­ лентным диаметрам за счет взаимной коагуляции частиц при паде­ нии непрерывно изменяется [274]. Для дождя на пути падения 1 км изменения в спектре в основном затрагивают мелкокапельную об­ ласть спектра (рис. 5), для снегопадов на пути падения 1 км рас­ пределение значительно трансформируется (рис. 23).

Расчеты, характеризующие изменение распределения частиц снегопадов с высотой, не проводились, что объясняется трудно­ стями чисто методического характера, а также ограниченностью наших сведений о снежинках. Как было показано, снежинки и хлопья даже одной и той же массы могут иметь разные скорости падения, разные формы и размеры, причем форма снежинок мо­ жет быть самой разнообразной, трудно поддающейся математиче­ скому описанию.

Для экспериментального определения изменчивости спектров с высотой необходимо измерять параметры функции распределения

103

частиц снегопадов на разных высотах с одновременным измере­ нием параметров атмосферы на пути падения' от верхнего до ниж­ него пункта наблюдения. Трудностями подобных экспериментов п объясняется то, что в настоящее время количество таких наблюде-

104

пределения снегопадов является зона таяния, ибо ниже твердые ча­ стицы превращаются в капли воды. Таким образом, на всем пути падения происходит трансформация как отдельных частиц, так и их совокупностей, т. е. распределений. Для частиц жидких осадков (капель дождя) зоной их зарождения можно считать зону таяния. Для частиц снегопадов выделить достаточно четко зону зарожде­ ния не представляется возможным.

3.7. Распределение частиц в снегопадах по размерам

Распределение частиц жидких осадков в пространстве или на поверхности однозначно определяет все интегральные характери­ стики дождя, т. е. его интенсивность, водность, прозрачность и т. д. Объясняется это тем, что эквивалентный диаметр капли однозначно связан с ее формой, массой и скоростью падения. Для частиц твер­ дых осадков величина эквивалентного диаметра или какого-либо характерного размера может служить только первым приближе­ нием для характеристики аналогичных интегральных параметров снегопадов.

Зависимость между массой, скоростью падения, формой и ха­ рактерными размерами у частиц снегопадов разная, поэтому для характеристики снегопадов и вычисления их интегральных харак­ теристик необходимо, кроме функции распределения, приводить ряд других зависимостей, связывающих основные параметры ча­ стиц.

В снегопадах, состоящих из снежных хлопьев, кроме распреде­ ления по эквивалентным диаметрам в пространстве или на плос­ кости, имеет место и распределение по эквивалентным диаметрам элементарных частиц. Таким образом, в снегопадах имеется не­ сколько, по существу, независимых функций распределения.

Распределение выпавших частиц по массе или эквивалентным диаметрам необходимо для вычисления интенсивности снегопадов и вклада различных частиц в интенсивность. Оно дает возможность судить о закономерностях образования частиц в облаках. Про­ странственное распределение частиц по эквивалентным диаметрам определяет водность снегопадов, а по характерным размерам— прозрачность и радиолокационную отражаемость.

Переход от одного вида распределения к другому может быть произведен, если известны соотношения между массой и видимым диаметром отдельной снежинки, массой и видимым диаметром хлопьев, массой и скоростью падения частиц или же связанные с ними соотношения между массой и плотностью частиц, видимым диаметром и скоростью падения и др.

Как правило, снегопады состоят из частиц двух-трех отдельных видов (табл. 23) [30]. В снегопаде, по наблюдениям в Японии [279], наиболее часто встречаются сочетания следующих простых форм снежинок: звезды — пространственные звезды, звезды — запонки и пространственные звезды — запонки; несколько реже: столбики — пластинки, столбики — запонки, пластинки— звезды и пластинки —

105

запонки. Для северо-запада и центра ЕТС наиболее частые сочета­ ния: звезды — пластинки и их усложненные формы, т. е. звездча­ тые и пластинчатые батареи, столбики и пластинчатые ежи, стол­ бики и пластинчатобутылочковые ежи, пластинчатые и бутылочковые ежи.

Т а б л и ц а 23

Повторяемость снегопадов, состоящих из снежинок различных форм [30]

Таким образом, в ряде случаев совершенно неправомерно все элементарные частицы снегопадов характеризовать каким-либо от­ дельным размером: гексагональным диаметром, длиной или опи­ санным диаметром. Целесообразнее разделять их на группы по виду частиц и рассматривать распределение кристаллов по харак­ терным размерам в группе. Как было показано при описании сне­ жинок характерных форм, в этом случае имеет место достаточно четкое распределение частиц по характерным размерам (рис. 24). Для частиц всех видов распределение имеет максимум, причем наибольшая повторяемость разная у кристаллов различной формы. Наименьшими средними характерными размерами обладают стол­ бики и пули, наибольшими — плоские дендриты [167].

Распределение элементарных частиц в снегопадах по эквива­ лентным диаметрам зависит прежде всего от вида выпадающих частиц. Наиболее характерным является распределение элементар­ ных частиц, образующихся только в кристаллических облаках.

Отсутствие в таких облаках капель воды приводит к тому, что рост элементарных частиц происходит только за счет сублимации водяного пара на растущих твердых зародышах.

В результате только сублимационного роста элементарные ча­ стицы вырастают до значений эквивалентных диаметров не более 1 мм (рис. 25). В снегопадах этого типа распределение частиц, вы­ падающих за единицу времени на единицу площади при <7>0,4 мм', описывается функцией (23) при N 0 = 45I см- 3 -с− 1 и Я=3,8 см− 1 [54]. Из рис. 25 видно, что при увеличении интенсивности осадков уве­ личивается число снежинок, а средний даметр не меняется. Ана­ логичная закономерность получена в Англии [171].

В качестве функции распределения частиц снегопадов по экви­ валентным диаметрам было предложено использовать те же выра­ жения (23), (29), (31), что и для дождя. Однако более детальный анализ, основанный на обработке дополнительного материала, по­ казал, что функция Маршала — Пальмера (23) мало пригодна для описания распределений в снегопадах, ибо она плохо описывает мелкокапельную область спектра. Для жидких осадков с этим можно мириться, так как основной вклад в интегральные характе­ ристики осадков дают капли d > 1 мм, для снегопадов, особенно со­ стоящих из частиц столбчатых форм, основной вклад в интеграль-

106

описание распределения твердых частиц в виде функций (29) или (31), которые лучше описывают мелкокапельную часть спектра.

Рис. 24. Распределение по размерам снежных кристаллов различного вида [167].

а — гексагональные пластинки (Р іа); б — игольчатые звезды (РІсІ); в — денд­ риты (Pie); г — иглы (КЧа); д — столбики и столбчатые ежи (Сіе, С2Ь), е — за ­ понки (С РІа, CPlb, CPlc).

Чем ниже температура воздуха при снегопаде, тем медленнее (при прочих равных условиях) идет образование хлопьев. В ре­ зультате распределение частиц при более низких отрицательных температурах описывается функцией (31) с более высоким коэф­ фициентом а. По тем же данным в снегопадах, выпадающих при температурах ниже —4,5° С, из 23 в 22 спектрах а ^ 4 .

107

Распределения частиц снегопадов при более низких отрицатель­ ных температурах подчиняются другим функциям, параметры ко­ торых еще требуют уточнения. В качестве примера распределений при низких отрицательных температурах в табл. 24 приведены ре­ зультаты измерения параметров распределения снегопадов для функции вида (31).

Р (&)

Рис. 25. Распределение частиц по эквивалентным диа­ метрам в снегопадах, состоящих из необзерненных частиц (относительные значения).

108

Распределение капель в дождях в среднем подчинено опреде­ ленным закономерностям, поэтому, если известны закономерности спектра в зоне таяния, можно по усредненным спектрам дождя восстановить усредненные спектры снегопадов.

Непосредственные наблюдения показали, что вид распределе­ ния частиц осадков при прохождении ими зоны таяния не меня­ ется [352]. На идентичность распределения до и после зоны таяния указывают также радиолокационные наблюдения [356]. В таком случае плотность распределения твердых частиц перед зоной тая­ ния рт ( d ) , имеющих эквивалентный диаметр d T и скорость падения От связана с аналогичными величинами для образующихся капель соотношением

Как известно, скорость падения частиц снегопадов выражается степенной функцией с показателем степени 0,2—0,4 (см. табл. 19) [46, 47, 64, 234], а скорость падения капель — степенной функцией с показателем 0,53 (табл. 25) [21]. Поэтому отношение v m ( d ) / v ^ ( d ) является также степенной функцией с показателем степени 0,3— 0,1. Таким образом, если в дождях имеет место распределение Маршала — Пальмера, то распределение частиц в снегопадах не может быть описано функцией аналогичного вида.

Т а б л и ц а 25

Значения коэффициентов А и k, используемых для вычисления скорости падения

Многочисленными измерениями доказано, что усредненные спектры дождей в различных географических районах удовлетво­ рительно описываются функцией Маршала — Пальмера. Поэтому ожидать, что усредненные данные распределений в снегопадах также будут описаны аналогичной функцией, нет основания.

Для ограниченного числа наблюдений в Японии и Америке предлагается распределение частиц снегопадов (без указания на температуру воздуха при измерении и вид частиц) описывать функцией Маршала — Пальмера с коэффициентами М = 2,5 • 10 3/ 0’94 и А=2,29/-°’45 [339].

109