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

Приведенные данные расчетов являются приближенными. Чтобы получить более точные данные необходимо знать функцию

при ударе, толщину пленки воды. Все эти величины для реальных условий роста градин могут быть определены только приближенно. Пузырьки воздуха и отдельные воздушные полости определяют вид и плотность различных слоев градины. Воздушные пустоты образуются между цепочками замерзающих капель (см. рис. 31). Так как сухой рост происходит радиально, преимущественно на­ встречу потоку, то и пустоты вытянуты в этом лее направлении. В слу­ чае когда размеры образующихся пустот малы, формируются ра­ диально направленные полосы молочного льда, хорошо прослежи­ вающиеся на срезах градин [317]. Образование пустот в толще прозрачного льда происходит также и за счет выделения внутри образующегося льда воздуха, растворенного в воде облачных капель. Количество растворенного воздуха определяется темпе­ ратурой капли. В диапазоне температур —20, —0°С объем воздуха в капле составляет около 3—4% объема капли [43]. Содержание воздуха во льду примерно в тысячу раз меньше. Поэтому при за­ мерзании воды наблюдается выделение воздуха в виде пузырьков. Концентрация воздушных пузырьков растет с ростом скорости за­ мерзания воды, а радиус пузырьков уменьшается. Связь концен­

трации пузырьков N и их среднего радиуса г со скоростью рас­ пространения фронта замерзания (скорость передвижения фронта кристаллизации) иКр. согласно [118, 123] может быть записана в виде

Появление сплошных концентрических слоев льда, характери­

с тем, что градины при росте вращаются. Отдельные незамкнутые слои возникают, когда под действием тех или иных факторов гра­ дина падает не меняя ориентации.

Однако образование концентрических слоев в градинах может происходить и при их падении вне облака. Например, эксперимен­ тами установлено, что губчатая градина, содержащая 40% воды, при замерзании при Г < — 10° С становится многослойной [164].

Когда градина замерзает, растворенный в воде воздух дви­ гается впереди фронта замерзания. При замерзании объем воды увеличивается. Так как замерзание идет снаружи и градины вра­ щаются, то образующаяся ледяная оболочка препятствует расши­ рению градин, что приводит к увеличению давления внутри гра­ дины. При резком спаде давления, вызванном появлением трещин в оболочке, растворенный воздух «вскипает», образуя на фронте кристаллизации слой пузырьков. Далее процесс повторяется.

132

Замерзание облачных капель, оседающих на поверхности гра­ дин, а также замерзание их в пленках воды, расположенных на по­ верхности растущей градины или внутри ее, приводит к появлению кристаллов, по-разному ориентированных и имеющих различный размер (до 5 мм) (рис. 26 в, г). Ориентация растущих кристаллов определяется условиями осаждения и замерзания капелек.

В общем случае оси кристаллов не параллельны, а образуют некоторое распределение, тяготеющее к какому-нибудь определен­ ному направлению. Как показывают измерения в аэродинамиче­ ских трубах, при сухом росте угол между направлением оси шести­ гранника и нормалью к растущей поверхности составляет меньше 45°. При мокром росте этот угол больше 45° [242].

Рис. 34. Распределение кристаллов в зависимости от углов ср между их осью и перпендикуляром к растущей поверхности [247] при различных усло­ виях кристаллизации (см. табл. 33).

Когда капли падают на сухую подложку и расплющиваются, то отток тепла происходит не только внутрь градины, но и в воздух, т. е. в среду, имеющую значительно более низкую температуру, чем подложка. В результате рост кристаллов идет с ледяной по­ верхности в сторону максимального переохлаждения, т. е. перпен­ дикулярно поверхности градины. Вновь оседающие капли поддер­ живают этот механизм кристаллизации, и кристаллы растут от подложки навстречу набегающему потоку, последовательно нани­ зывая осаждающиеся капли. В условиях контролируемых опытов

133

Т а б л и ц а 33

Условия кристаллизации воды при замерзании для случаев, приведенных на рис. 34

отрицательных температурах окружающего воздуха и поверхности градины, т. е. при сухом росте. Крупные кристаллы (характерные размеры более 2 мм) обра­ зуются при мокром росте, т. е.

при кристаллизации в воде губ­ чатого льда (рис. 35) [242]. Непосредственные измерения ориентации и размеров кри­ сталлов в градинах, образовав­ шихся при мокром росте, пока­ зывают полное соответствие закономерностей кристаллиза­ ции в естественных и искусст-

ОА Q венных условиях [243]

туре тают, т. е. теряют массу. Однако при отрицательной темпе­ ратуре воздуха градины также могут терять часть своей массы за счет раскалывания.

Раскалывание градин довольно частое явление. Так, из 134 ис­ следованных больших градин 15 образовались из обломков градин [124]. Растрескивание и распад градин могут быть вызваны как внутренними, так и внешними силами, возникающими, например, при соударении градин [214].

Раскалыванию градин предшествует появление в них трещин. Трещины могут ориентироваться по самым различным направле­ ниям (как радиальным, так и вдоль какого-либо слоя) и иметь либо ограниченную протяженность, либо (перед самым расколом) рас­ пространяться на всю толщу тела градины. Раскалывание происхо-

134

днт там, где прочность градин ослаблена за счет включенных пу­ зырьков воздуха [214]. Линии пузырьков могут располагаться как радиально, так и вдоль какой-либо концентрической поверхности внутри градины. Однако хотя пузырьки и способствуют раскалы­ ванию градины, их наличие не является необходимым, так как раскалывание имеет место и внутри чистого сплошного льда. Гра­ дины распадаются примерно на равные доли или же происходит откалывание от них больших кусков [116, 120, 124]. Капли облач­ ного диапазона при захвате их градинами расплющиваются, не распадаясь. Капли мороси и мелкие дождевые капли, как показали опыты на моделях, при ударе о сухую или мокрую подложку глад­ кого льда разбиваются на большое количество брызг (достигаю­ щее 100). Однако если поверхность льда покрыта пленкой воды, имеющей толщину, равную примерно половине радиуса падающей капли, разбрызгивание не происходит, так как кинетическая энер­ гия ударяющихся капель гасится силами вязкости в пленке воды. При толщине пленки, равной двойному радиусу, имеет место энер­ гичное разбрызгивание капель (число брызг возрастает до 300). Капли, имеющие диаметр в 10 раз превышающий толщину пленки, не только сами разбрызгиваются, но вызывают и энергичное раз­ брызгивание пленки [118]. Так как толщина пленки воды на тающей градине не превосходит 0,1 мм [159], то капли мороси и дождя не только не осаждаются, но даже удаляют часть водной пленки с по­

парообразования, ра и ps — плотность водяного пара при темпера­ туре воздуха и градины. Скорость таяния градин (рис. 36), имею­ щих форму сплюснутого эллипсоида с соотношением осей до 0,4, но имеющих ту же массу, на 15—20% больше, чем сферических [260].

Во время таяния эллипсоидальных градин их форма и соот­ ношение осей меняется, однако при этом скорость падения

135

ОІ^КОІ

уменьшается медленнее, чем в случае таяния частиц сферической формы [296].

Путь, проходимый градиной при таянии, определяется страти­ фикацией атмосферы, плотностью градины, ее формой, весом и внутренней структурой. Форма и вес определяют скорость паде­ ния градин, а внутренняя структура определяет, происходит ли сдувание растаявшей воды с поверхности или же она проникает внутрь. Ввиду большой неопределенности всех перечисленных выше параметров в общем случае расчеты скорости таяния при­ ближенны. Для двух крайних случаев, когда растаявшая вода пол­ ностью остается на тающей градине или полностью слушается, были рассчитаны номограммы (рис. 37, 38), приведенные в [18], позволяющие достаточно точно определить скорость таяния градин.

В том случае, когда вся вода остается на градине, скорость таяния зависит от параметров хі> хг> Хз и f, определяемых из выра­ жений:

0,95Го + 23 • 106 („о — а3)

( t v p - t O Ä j

/ ^ l + 0 ,3 R e '/2,

0,48у 4- 1-2 • ІО6*

Ъ(Vvv- V) R1

137

Для случая, когда вся растаявшая вода сдувается с градины,

а затем по номограмме определяется радиус градины у земли (рис. 38).

Расчеты по этим номограммам несколько завышают размеры градин, выпадающих на землю, однако в качестве первого прибли­ жения они вполне пригодны.

При расчетах скорости таяния градин предполагается, что они падают вертикально и путь, проходимый ими, равен расстоянию между двумя уровнями. Однако у падающих тел неправильной формы появляются вторичные нерегулярные составляющие ско­ рости, которые искривляют их траекторию. При точных расчетах необходимо использовать два вида скорости: скорость градины относительно воздуха, что будет определять ее тепло- н массообмен, и проекцию вектора скорости на вертикальную ось, что будет определять время ее падения от верхнего до нижнего уровней [31, 32]. Кроме того, необходимо также учитывать турбулентность воз­ духа, с ростом которой увеличивается тепло- и массообмен. Од­ нако из-за большого разброса параметров градин и сравнительно небольшой точности в определении параметров атмосферы на пути падения градин применение более точных формул пока не­ оправданно.

При падении градин через теплую часть облака происходит таяние за счет выделения дополнительного тепла, принесенного теплой водой облачных капель. По приближенным оценкам при вод­ ности порядка 1 г/м3 дополнительное тепловыделение увеличивает таяние на 10— 15% [18, 68].

Столкновение градин с каплями дождя в подоблачном слое приводит к незначительному увеличению скорости их таяния. Это связано с тем, что, во-первых, средняя водность дождя меньше, чем средняя водность теплых облаков, во-вторых, при соударении дож­ девых капель с градинами первые разбрызгиваются и только не­ большая доля воды остается на градине.

Вращение градины не оказывает существенного влияния на скорость таяния, так как при этом обдув градины, с одной сто­ роны, увеличивается, а с другой — уменьшается. Даже при ско­ рости вращения 5 об/с и при скорости падения ѵ —3- ІО3 см/с влия­ нием линейной скорости вращения можно пренебречь [18]. Когда градина при падении вращается, она обтаивает равномерно со всех сторон. Однако в случае стабилизации ее падения, что может

138

15.В о р о н о в Г. С. Некоторые данные исследования града в Алазанскон долине. — Труды ЦАО, 1956, вып. 65.

16.В о р о н о в Г. С. Приборы для сбора и фотографирования града.—

140