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

Г л а в а 4 ГРАД

4.1. Частицы града, их свойства и распределение по размерам

В теплое время года при положительной температуре воздуха выпадают твердые осадки, состоящие из частиц мокрого льда и снега— ледяные и круповпдные градины.

Градины различаются по своим размерам, форме, внутренней структуре, скорости и характеру падения. Общее количество про­ веденных исследований градин невелико. Объясняется это, прежде всего, сравнительной редкостью и кратковременностью выпадения града, многообразием встречаемых в природе случаев, небольшим временем сохранения градин на поверхности земли при положи­

формацией при падении в облаке н в подоблачном пространстве. Изучение закономерностей формирования и трансформации града проводится в основном на моделях, так как большая масса гра­ дин и большие восходящие потоки в зоне их формирования за­ трудняют изучение града в естественных условиях.

Наиболее характерными параметрами градин являются их форма, размер, вес, плотность, скорость падения и внутренняя структура (плотность слоев, размер и ориентация ледяных кристаллов и пузырьков воздуха, вид различных слоев).

Форма градин самая разнообразная: от правильных сфер до обломков льда неправильной формы с острыми краями или тел самой причудливой конфигурации [255, 294]. Градины сложны и многообразны, поэтому простое описание не всегда дает полное представление об их форме и внутренней структуре. Фотографии градин или их слепков позволяют полностью воссоздать их форму, однако такое представление материала достаточно громоздко. По-видимому, целесообразно ввести некоторую классификацию гра­ дин, которая, хотя и не будет обладать столь большой информа­ тивностью, как фотография, все лее позволит внести некоторую стройность в описание формы градин. Ввиду отсутствия четких критериев, определяемых естественными физическими свойствами

111

градин, отнесение их к тому или иному типу до некоторой степени произвольно.

В настоящей монографии предлагается классификацию гра­ дин проводить по их форме — тип градин (прописная буква), состоянию поверхности — вид поверхности (цифра), описывая раз­ личные выступы и впадины на поверхности градин не в абсолют­ ных цифрах, а в относительных, т. е. по отношению к максималь­ ному диаметру градин осесимметричной или неправильной формы и по степени прозрачности градин — разновидность структуры (строчная буква) (табл. 27).

Т а б л и ц а 27

Классификация градин Т ип г р а д и н

A.Сферические градины с максимальным отношением осей до 1,2

B.Эллипсоидальные градины с максимальным отношением осей от 1,2 до 1,5

C.Дискообразные градины с максимальным отношением осей более 1,5

D.Грушевидные градины с отношением диаметра к высоте менее 1

E.Конические градины с отношением диаметра к высоте более 1

F.Градина неправильной формы.

В и д п о в е р х н о с т и г р а д и н

1.Градины с гладкой поверхностью

2.Градины с выступами, высота которых менее 0,2£>Гр

3.Градины с выступами, высота которых более 0,2ОГр

4. Градины с кавернами, глубина которых менее 0,2D rp

5.Градины с кавернами, глубина которых более 0,2Drp

6.Градины с плоскими гранями (обломки градин)

Р а з н о в и д н о с т ь с т р у к т у р ы

а. Однородные, прозрачные градины

в.Однородные, непрозрачные градины с. Смешанная структура.

Предлагаемая классификация проведена на основе классифи­ кации Гокхале [162] и включает, кроме выделенных им четырех основных типов: сферические, эллипсоидальные, конические и гра­ дины неправильной формы, еще два типа: дискообразные и гру­ шевидные градины. Каждый тип градин в зависимости от состоя­ ния поверхности разделяется на шесть видов, в свою очередь каж­ дый вид в зависимости от степени прозрачности градины может иметь три разновидности ее структуры. Данная классификация мо­ жет быть расширена и дополнена как за счет введения новых сим­ волов, так и за счет увеличения количества групп символов. Про­ исхождение градин неправильной формы можно определить по их форме и структуре ребер и граней. Как правило, обломки имеют более острые ребра и на некоторых гранях хорошо заметна струк­ тура, характерная для срезов градин. В соответствии с этим гра­ дины неправильной формы подразделяются на самостоятельные образования F1—F5 и частицы, образовавшиеся в результате рас­ калывания градин правильной и неправильной формы F 6 [332].

112

Относительная повторяемость выпадения градин различноготипа зависит от их размера. Чем меньше размер градин, тем ближе их форма к сферической. При Z)rp<10 мм в основном выпадают сферические и грушевидные градины (типы А и D) [5, 6 , 7, 8 , 125]. С увеличением размера возрастает повторяемость градин непра­ вильной формы. Если рассматривать все градины, выпадающие за длительный период на некоторую территорию, то можно выявить зависимость повторяемости различных форм градин от местных ус­ ловий. Так, в Закавказье в 79% случаев выпадают конические градины [14], по наблюдениям в Америке (данные одного района наблюдений), 75% градин имеют сферическую форму [333], по­ данным измерения в другом районе, повторяемость сферических градин 43%, а конических 8 % [139].

Величины соотношений осей эллипсоидальных градин для частиц, выпадающих на площади в несколько квадратных метров, лежат в широком интервале значений. Например, в одной группе

0,87 [251]. Аналогичные результаты получены в Америке: из 143 крупных градин, размеры которых превышали 3 см, у 85% раз­ ность между длиной максимальной и минимальной осей была равна 3—5 см [117].

Грушевидные и конические градины (типы D и Е) являются переходным звеном между крупой и сферическими или эллипсои­ дальными градинами, так как последние в качестве центрального ядра часто имеют конические образования [5, 6 , 7, 8 , 175, 246, 247]. Повторяемость конических градин резко падает с увеличением их размера. По результатам наблюдений на Кавказе повторяемость

25% и с 12<Л?Гр<16 мм — 5% [5, 6 , 7, 8 , 14, 15]. Угол при вершине конических градин лежит в широком диапазоне значений (от 55 до 96°) с максимумом повторяемости в интервале 70—80°. Наблю­ дения на Северном Кавказе показывают, что на этот интервал при­

Градины неправильной формы имеют самую различную конфи­ гурацию, и для их описания часто используются образные сравне­ ния «градина в виде рыбы, змей, слона» и т. д. [111]. Однако по таким описаниям без фотографий нельзя получить истинного пред­ ставления об их форме.

Поверхность градины может быть гладкой или покрытой от­ дельными выступами или впадинами [115]. Происхождение высту­ пов может быть определено только по срезам градин (через вы­ ступ) [255]. Некоторые выступы являются результатом осаждения

на поверхности градины крупинки или более мелкой градины, дру­ гие образуются за счет замерзания воды, мигрирующей на поверх­ ности градины. Выступ, образовавшись, как правило, продолжает существовать и расти, т. е. при дальнейшей эволюции градин не исчезает, а увеличивается. Если на градине образовались не­ сколько выступов, то при их росте образуется градина с так назы­ ваемой дольчатой структурой [115, 217]. Дольчатая структура по­ является у градин, диаметр которых более 1 см, а при D rр> 2 см дольчатая структура — обычное явление [98].

Средняя плотность градин ргр может изменяться в широких пре­ делах: от 0,3—0,5 г/см3 для конусных градин до 0,95 г/см3 для гра­ дин, состоящих из льда с примесью жидкой воды. Концентрация жидкой воды в градине может достигать довольно больших зна­ чений. Например, по наблюдениям в Кении, вес жидкой воды со­ ставляет 15% веса градин, а по измерениям в Закавказье — дости­ гает 50% [63]. В среднем ргр равна 0,8—0,9 г/см3 (табл. 28).

Центральное ядро может состоять из крупных замерзших' ка­ пель воды или обломков градин. Для различных районов распре­ деление зародышей по форме близко друг к другу: от 33 до 50% всех случаев зародыши— конические крупинки, в 33% случаев — сферические замерзшие капли воды, в 5— 10% случаев зародыши представляют собой крупные комочки неправильной формы, близ­ кие по своей структуре к крупе [125, 217]. Градины, имеющие в ка­ честве зародыша обломок другой градины, явление редкое [63].

Форма центрального ядра заметно влияет на всю форму гра­ дины. На конических или эллипсоидальных центрах в 2/ 3 случаев образуются эллипсоидальные градины и только в Уз случаев — сферические или градины неправильной формы. Сферические центры в 3/ 4 случаев приводят к образованию градин сферической формы [124]. Зародыши в виде крупы или комочков снега имеют размер от 2—3 до 15 мм, т. е. зародыши крупных градин по су­ ществу являются самостоятельными крупинками или градинами.

114

Зародыши в виде замерзших капель воды имеют диаметр не более 6 мм, так как капли большого размера в воздухе неустойчивы.

Плотность центрального ядра в первую очередь определяется

В процессе роста градин плотность ядра может изменяться. Если при росте градин образующаяся на поверхности вода протекает внутрь и пропитывает центральное ядро, вначале состоящее из круповидного снега, то плотность ядра увеличится и может при­ близиться к плотности льда.

Обычно в градине центральный зародыш окружен концентри­ ческими слоями прозрачного и непрозрачного льда с различной структурой. Неоднородность внутренней структуры, проявляю­ щаяся в многослойное™ градины — типичное явление (рис. 26). Наиболее часто встречаются двухили трехслойные градины [19, 124], хотя встречались градины, состоящие из 25 слоев [124]. Число слоев, как правило, возрастает с размером градин. Градины диа­ метром 1—3, 3—5 и 5 см имеют в среднем 2, 4 и 9 слоев [125]. Н а ­ блюдаются как сплошные, так и разомкнутые слои, образующие как бы оболочку и состоящие из отдельных незамкнутых «чешуек». Толщина слоев порядка ІО− 1 — 10 мм.

В естественных градинах в зависимости от плотности, прозрач­ ности и механической прочности слоев различают пять видов льда, образующего слон: прозрачный, прозрачный с пузырьками, молоч­ ный (матовый), белый и зернистый [5, 6 , 7, 8 , 265].

Предложенные границы являются чисто условными, в естест­ венных градинах имеет место непрерывный переход от прозрач­ ного льда к зернистому. Различие в плотности, прозрачности и механической прочности слоев определяется, прежде всего струк­ турой «упаковки» капель при их осаждении на растущую градину и наличием воздушных пузырьков в сплошном льде.

Пузырьки обычно имеют форму сфер, однако при некоторой скорости замерзания внутри пленки воды образуются так назы­

концентрации пузырьков внешний вид льда получается разным. Прозрачный лед — лед без воздушных пузырьков имеет плот­ ность, близкую к плотности чистого льда из дистиллированной воды, т. е. рл= 0,917 г/см3. Если пузырьки крупные и их немного, то лед можно характеризовать как «прозрачный с отдельными воз­ душными пузырьками». Плотность такого льда болёе 0,85 г/см3. При большом количестве мелких (микроскопических) пузырьков образуется «непрозрачный матовый (молочный) лед», однако его плотность при этом может быть даже выше, чем плотность проз­

рачного льда с отдельными большими пузырьками [319].

Белый лед в основном состоит из отдельных деформированных смерзшихся облачных капель. Белый лед в отличие от молочного имеет более рыхлую структуру, матовую поверхность, его плот­ ность в среднем равна 0,65 г/см3.

Зернистый лед — еще более хрупкая структура. Он состоит из замерзших капель облака сферической формы, его плотность равна приблизительно 0,3—0,4 г/см3, т. е. равна плотности крупы.

Скорость падения градин определяется их массой, формой, раз­ мерами и состоянием поверхности. Так как все эти величины у естественных градин меняются в широком диапазоне значений, то скорость падения градин может быть вычислена только с из­ вестным приближением. Гладкие сферические частицы падают со скоростью, величина которой определяется из выражения

(77)

CQ qs

з

По непосредственным измерениям на моделях градин, взвешен­ ных в потоке [367], коэффициент лобового сопротивления моно­

У сильно сплюснутых эллипсоидов коэффициент лобового сопро­ тивления увеличивается почти в 2 раза [26]. Выступы на поверх­ ности также изменяют величину С л. Наличие выступов в виде по­ лусфер, диаметр которых составляет Уюоо диаметра градины, уве­ личивает коэффициент лобового сопротивления на 15—20%. Так как обычно поверхность градины покрыта выступами различного масш­ таба, то определить коэффициент трения естественных градин на

118

основе сведений о их массе и форме поверхности можно только'

приближенно.

Для больших градин диаметром более 7 см коэффициент Сф резко уменьшается (рис. 27). Однако так как в естественных усло­

виях обычно диаметр градин менее 3 см, эту область значений C D можно не принимать во внимание [104].

В естественных условиях падающие градины, даже если их форма близка к сферической, вращаются и кувыркаются. В ре­ зультате скорость их падения и коэффициент лобового сопротив­ ления несколько отличаются от аналогичных величин для ста­ бильно падающих частиц. Градины, имеющие вид сильно сплюс­ нутых эллипсоидов, сохраняют некоторую стабильность ориентации при выпадении. Они падают так, что направление малой оси па­ раллельно потоку. Конические градины, близкие по форме к кру­ пинкам, обычно падают широким концом вниз. Однородные по плотности модели градин, имеющие угол при вершине 6 5 °< а < <90°, падают вершиной вниз [253]. В то же время из наблюдений за естественными градинами известно, что конические градины па­ дают вершиной конуса вверх. Несоответствие объясняется тем, что плотность естественных конических градин неравномерна и воз­ растает от вершины к основанию. Опытами на моделях установ­ лено, что увеличение плотности основания на 0,06—0,12 г/см3 при­ водит к изменению ориентации искусственных градин, модели гра­

Непосредственные измерения в свободной атмосфере скоростей падения искусственных градин и естественных частиц показали, что градины одной и той же формы и массы падают с различными скоростями [263, 359]. Эти результаты могут быть объяснены только тем, что коэффициент лобового сопротивления зависит от неподдающихся учету параметров таких, как состояние поверх­ ности, скорость вращения градины, направление оси вращения. Поэтому для моделей градин, а следовательно, и естественных частиц можно установить только область существования значений коэффициента лобового сопротивления (рис. 27).

Учитывая вышеизложенное, коэффициент лобового сопротивле­ ния для сферических, эллипсоидальных и конических градин можно принять равным 0,5. Близки к этим величинам и значения

слоем воды, так что общий эквивалентный диаметр достигает 6,5— 7 мм. Градины диаметром 1— 6 мм являются остатком от таяния более крупных градин.

Максимальный наблюдавшийся размер градин достигал 30 см [30], однако такие частицы встречаются очень редко. За последние

119

десятилетия градины размером более 1 0 см зафиксированы всего несколькими наблюдателями как единичное явление [61].

Наиболее часто выпадают градины диаметром 1—3 см. По на­ блюдениям в СШ А, градины большего диаметра встречаются вЗ— 7% случаев [314]. Средний размер выпадающих градин зависит от широты местности, он увеличивается с уменьшением широты.

Систематические наблюдения за распределением градин ни в одном районе не проводились. По отдельным разрозненным дан­

.120