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

шинное распределение [79]. Как правило, первый максимум больше второго, причем превышает его в три—шесть раз. Отношение диа­ метра градин, соответствующего второму максимуму, к диаметру градин, соответствующему первому максимуму, в среднем равно 3,1 [1, 79]. Появление двухвершинного распределения, по-видимому, обусловлено наложением двух одновершинных распределений со сдвинутыми максимумами. Распределение градин по диаметрам или эквивалентным диаметрам в большинстве случаев может быть описано функцией вида (31), однако с другими коэффициентами и показателями степени. При этом для перехода от диаметра гра­ дин £>гр к их эквивалентному диаметру сі используют соотношение

d = D vp(pvplpa)4 \ (78)

где рв — плотность воды.

Функция распределения градин по размерам по данным у по­ верхности земли S (Drp) связана с распределением в воздухе р (£>гр)

для градин неправильной формы, по-видимому, также можно по­ добрать аналогичный степенной закон.

Концентрация градин в воздухе N, рассчитанная по наземным данным, колеблется в широких пределах. По измерениям в Аме­ рике при £>гр>1 см Л7 = 1 м-3, в Англии — 3,5 м-3. В С С С Р , со­ гласно наземным измерениям, концентрация градин того же диапа­ зона размеров колеблется в пределах 5—22 м~3, т. е. на порядок больше [1]. По радиолокационным измерениям N изменяется в ши­ роком диапазоне значений, от 0,13 до 22 м 3 [2]. Естественно, что концентрация связана с интенсивностью выпадения града (уве­ личивается с увеличением последней). Зависимость концентрации от размера града пока не прослежена. Так, при одних и тех же размерах градин концентрация может изменяться на два-три по­ рядка [139].

Переносить распределения, измеренные на поверхности земли, в подоблачные слои, а тем более в облака неправомочно, так как на пути падения градины непрерывно трансформируются, изменяя свою форму и массу.

4.2. Микрофизические условия роста градин

Градины формируются в мощных кучевых облаках за счет осаж­ дения переохлажденных капель облака, капель дождя и ледяных кристаллов на выпадающей частице. Если скорость осаждения пе­ реохлажденных капель достаточно велика, то за счет выделения

122

скрытой теплоты замерзания температура поверхности растущей частицы повышается до 0°С [336].

В зависимости от температуры облака падающая градина растет или тает. При температуре воздуха ниже 0°С, даже если температура поверхности градины повышается до 0° С (за счет выделения скрытой теплоты конденсации), осаждающаяся вода впитывается градиной или частично замерзает на ней. В обоих случаях масса градины увеличивается. При осаждении капель при положительной температуре за счет теплообмена с окружающим воздухом и осаждающимися каплями градина тает. Поэтому для

В основном рост градин происходит за счет захвата переохлаж­ денных облачных капель. Эффективность захвата «сухой» гра­ диной твердых элементов осадков мала, так как в результате обдува любые кристаллы, попавшие на поверхность градины, уно­ сятся. Однако если на градине образуется пленка воды, эффек­ тивность захвата ледяных кристаллов резко возрастает и дости­ гает единицы. В этом случае оседающие снежные кристаллы сов­ местно с водой образуют губчатый лед [258]. Следует отметить, что губчатый лед может образовываться также за счет образова­ ния и роста кристаллов льда внутри пленки воды [268]. В отдель­ ных случаях на поверхности градины оседают частицы крупы или более мелких градин, которые изменяют ее поверхность [261]. За­ хват градиной частиц крупы и полностью замерзших капель про­ исходит только при сочетании ряда благоприятных факторов, ко­ торые в естественных условиях наблюдаются редко. Из приведен­ ных в литературе многочисленных фотографий разрезов градин только в очень ограниченном числе случаев можно обнаружить захваченную (вмерзшую в тело градины) крупинку или замерз­ шую каплю воды. Частично замерзшие капли воды захватываются более энергично, однако вид поверхности градины при этом не ме­ няется, так как частицы раскалываются и «размазываются».

Вероятность благоприятных условий, при которых будет про­ исходить захват крупной градиной более мелких, мала, хотя в ли­ тературе встречаются описания конгломератов, состоящих из срос­ шихся друг с другом мелких градин и крупинок [30]. Основной при­ чиной, препятствующей срастанию градин, являются аэродинами­ ческие силы, разламывающие уже сросшиеся образования.

Как уже говорилось, рост градин в основном происходит так же, как и рост крупы — переохлажденные облачные капли захва­ тываются падающими ледяными зародышами и примерзают к ним. Однако если рост крупы происходит при малой относительной ско­ рости соударения и при небольшой водности облака, то рост гра­ дин происходит при значительно больших значениях этих величин. При образовании крупы облачные капли замерзают на поверхности растущей частицы при температуре ниже нуля, оставаясь в ос­ новном сферическими. При образовании града температура

123

растущей поверхности может быть около 0 °С за счет выделения скрытой теплоты замерзания. В этом случае капли не замерзают,

аобволакивают градину тонкой пленкой воды.

Взависимости от температуры, концентрации переохлажден­ ных капель в облаке, их диаметра и скорости падения растущей градины на ней будет происходить или осаждение малодеформнрованных капель с образованием рыхлой снеговидной структуры (белый, зернистый лед), так называемый сухой рост, либо осаж­

дение капель в виде пленки воды с последующим замерзанием, мокрый рост [248, 265]. При прочих равных условиях «сухой» или «мокрый» режимы роста определяются водностью облака. Чем больше водность, тем больше переохлажденной воды в виде об­ лачных капель поступает к поверхности градины и больше выде­ ляется скрытой теплоты кристаллизации. Значения водности, при которых температура поверхности градины за счет выделения скры­ той теплоты кристаллизации становится равной 0 ° и начинается режим мокрого роста, принято называть критическими.

Естественные границы перехода зародышей в градины условны. Это подразделение можно проводить по величине градин, наличию слоев, массе и т. д. По-видимому, целесообразно установить гра­ ницу между градинами и крупинками, исходя из наличия или отсутствия мокрого роста. Частицы, образующиеся только при ре­ жиме сухого роста, следует считать крупинками, какого бы раз­ мера они не достигали; частицы, которые в процессе выпадения достигали мокрого режима роста — градинами. При таком делении к крупинкам будут в основном относиться частицы с плотностью менее 0,5 г./см3, а к градинам частицы с плотностью более 0,5— 0 , 6 г/см3.

Рост частиц града — кратковременный локальный процесс. Так, например, средняя ширина зоны выпадения града составляет ве­ личину менее 10 км [79]. Время между появлением первого локационного отражения от градового облака и выпадением градшна землю занимает немногим больше 10 мин [74]. На пути падей' градины внешние условия существенно разные. Например, т^ціл ратура воздуха на уровне верхней границы облаков составу" —40, —50°, а на поверхности земли 20—30°. Таким образом? от уровня зарождения до поверхности земли в течение нескольких минут частицы изменяют свой размер на порядок, массу на т; . порядка, а скорость падения изменяется в несколько раз.

В настоящее время отсутствует полная количественная теория роста града. В основном удается объяснить некоторые стороны про­ цесса градообразования и в ряде случаев их смоделировать. Од­ нако, как правило, результаты модельных опытов, верно отражая характер роста градин, не позволяют однозначно переносить коли­ чественные данные, полученные на моделях, на естественные про­ цессы в облаках.

В общем виде баланс тепла растущей градины, который в ос­ новном определяет сухой или мокрый рост, согласно [37, 265],

124

к единице поверхности градины, правая часть — количество тепла, уходящего с единицы ее поверхности [260]. Большинство парамет­ ров, входящих в выражение (80), может быть определено только приближенно. Коэффициент захвата Е в случае потенциального обтекания определяется диаметром облачных капель, диаметром градин и скоростью их падения. Согласно данным теоретических исследований, коэффициент захвата для сферических градин может быть определен из выражения

где р и ц — плотность и вязкость воздуха соответственно, гк — ра­

Для реальных градин коэффициент захвата вычисляется при­ близительно, так как поверхность не гладкая, а форма отличается от сферической. Появляющиеся на градине выпуклости способст­ вуют местному увеличению коэффициента захвата, в результате образовавшиеся выступы имеют преимущество в росте. Выступы

125

приводят к местному снижению критической водности. Таким об­ разом, на одной и той же градине в разных местах может проис­ ходить как сухой, так и мокрый рост.

Образование различных выступов неправильной формы и де­ формация градин происходят в основном при мокром росте п при переходе из состояния мокрого роста к сухому [292]. Хотя градины могут иметь самую различную форму и их поверхность, как пра­ вило, покрыта выступами, для всех расчетов исследователи вы­ нуждены принимать, что градины сферические и гладкие [98, 258, 261]. При расчетах принимается также, что градина ориентирована определенным образом, однако преимущественное образование кон­ центрических слоев указывает, что градины при падении кувыр­ каются и вращаются [215].

Переход от одного вида роста к другому происходит за корот­ кие интервалы времени. Если учесть, что время между началом образования градин в облаке и их выпадением из облака равно \Ъ мин и что в градине, как правило, имеется несколько слоев, то на образование одного слоя идет 2—4 мин. В то же время, со­ гласно непосредственным измерениям, для того чтобы вся градина диаметром 1—2 см приобрела температуру внешней среды, необ­ ходимо 3—4 мин [161]. Следовательно, внутри естественных градин при их падении непрерывно распространяются волны тепла и хо­ лода, что оказывает существенное влияние на температуру поверх­ ности градины, где происходит осаждение капель.

Все перечисленные выше факторы могут существенно изменить условия роста градин.

Для реальных условий более правильным является не вычисле­ ние какой-то определенной граничной водности (критической), ниже которой при заданных условиях осаждения идет сухой рост, а выше — мокрый, а вычисление границ переходной области. Так, с учетом разброса эффективности захвата в различных частях гра­ дины для моноднсперсного облака, состоящего из облачных ка­ пель с гь-= 15 мкм, критические значения водности шкр имеют зна­ чительный разброс (рис. 30) [262].

Расчеты условий сухого и мокрого роста по формуле (80) для вращающегося в потоке аэрозоля ледяного цилиндра, удовле­ творительно согласуются с опытными данными [164]. При этом об­ наружено, что скорость ухода тепла с поверхности градины мало зависит от того, происходит ли сухой или мокрый рост, однако на­ личие на поверхности выступов увеличивает турбулентный обмен и отток тепла на довольно значительную величину (до 60%) [261]. Оба эти положения можно отнести и к росту реальных градин.

Наличие сухого и мокрого роста на различных этапах жизни растущей частицы или даже одновременно в различных частях градины объясняет многообразие форм выпадающих градин. Когда на всем пути градины растут в режиме сухого роста и при паде­ нии кувыркаются, то они принимают более или менее правильную геометрическую форму сферы или сфероида, ибо осаждение об­ лачных капель происходит достаточно равномерно по всей поверх-

126

посты. В случае возникновения некоторой стабилизации в ориен­ тации при падении осаждение будет идти преимущественно на на­ ветренной (нижней) стороне градины. При сухом росте в этом случае начинается образование круповидных градин; при мокром росте, если он происходит сравнительно медленно, вода сносится воздушным потоком к краям градин, где и замерзает, придавая градине эллиптическую форму. Возникшая эллипсоидалы-юсть в дальнейшем будет усиливаться, ибо при падении малая ось эл­ липсоида стремится ориентироваться вертикально [117].

Рис. 30. Зависимость величины критической водности от диаметра градины и температуры окружающего воздуха [262].

Формирование градин неправильной формы обусловлено мно­ гими механизмами [5, 6, 7, 8]. Основным процессом, по-видимому, является замерзание воды, оседающей на передней поверхности и сдуваемой потоком воздуха в тыловую часть градины, где она замерзает в виде выступов. Для образования длинных выступов требуется, чтобы градина достаточно долго сохраняла определен­ ную ориентацию при падении.

Формирование градин неправильной формы происходит также при образовании на ее поверхности губчатого льда, т. е. смеси ле­ дяных кристаллов и воды. Губчатый лед имеет некоторую пластич­ ность и под действием потока воздуха перемещается по твердому центральному ядру. В случае когда вся градина состоит из губчатого

127

льда, деформация простирается на всю толщу частицы. Ока­ завшиеся на подветренной стороне выступы губчатого льда стаби­ лизируют градину, что способствует систематическому перемеще­ нию массы с наветренной в тыловую часть градины. Так как на обратную сторону 'градины тепло не поступает, то происходит замер­ зание губчатого льда в виде сосулек прозрачного льда различной длины [111]. На правомерность такого предположения указывает то, что градины неправильной формы (F) образованы в основном из прозрачного льда [26].

Одним из возможных механизмов образования градин непра­ вильной формы следует считать выдавливание воды через трещины в ледяной оболочке [353]. Это происходит, когда градина, состоя­ щая из губчатого льда, попадает в слон облака с отрицательной температурой и низкой водностью. Если при падении градины вращаются, то происходит образование сплошной ледяной корочки.

от скорости соударения, диаметров капель, их температуры и тем­ пературы поверхности градины или сразу замерзают, почти не де­ формируясь, либо частично расплющиваются и затем замерзают, либо, попадая в пленку воды, теряют свою индивидуальность. Капли, замерзшие при низких отрицательных температурах (ниже

— 15° С), в режиме сухого роста, имеют матовую поверхность и со­ стоят из непрозрачного льда. Кроме того, в этом случае они соединяются друг с другом краями, почти не деформируясь и между ними образуются значительные безвоздушные промежутки (рис. 31). Цепочки капель, как правило, направлены навстречу набегающему потоку. Отвод тепла от замерзающих капель в этом случае идет в основном через воздух [265]. Чем выше скорость соударения и температура, тем больше деформация капель. При падении на поверхность с более высокой температурой капли сначала расплющиваются, принимая форму сегмента, а затем за­ мерзают. Время растекания т определяется скоростью капель при соударении. При ^ = 1 0 мкм и цк= Ю м/с т~10_6 с.

Для характеристики растекания капель удобно пользоваться критерием, который получил название коэффициента расплющи­ вания и представляет собой отношение диаметра расплющен­ ной капли к ее первоначальному диаметру. Коэффициент расплю­ щивания в основном определяется температурой поверхности п сравнительно мало зависит от температуры капель (табл. 32).

Отток тепла от осевшей замерзшей капли идет как внутрь гра­

128

521 № Заказ 9

Рис. 31. Структура льда в различных условиях осаждения капель радиусом 50 мкм при температуре

окружающего воздуха—27° С [267].

Т а б л и ц а 32

Коэффициенты расплющивания капель облака в зависимости от температуры

где рв и рл — плотность воды и льда, Тп — температура подложки (льда). Выражение (83) справедливо, когда ориентация частицы

Рис. 32. Время замерзания пленки воды различной толщины на обдуваемой сфере диаметром I см (сплошная линия) и 3 см (штриховая линия) в зависимости от температуры сферы Гл и окружающего воздуха Г.

при падении не изменяется. При этом время замерзания для раз­ личных значений АI при температурах Т и Тп колеблется от ІО-4 до 0,5 с (рис. 32) [265].

При осаждении капель облака средиеобъемная плотность пер­ воначально образуемого осадка в первом приближении зависит от

Т

По более точным расчетам, включающим в себя как частный случай выполнение предыдущей формулы, плотность осадка опре­ деляется выражением

130