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

скорости, т. е. при ветре, то происходит их «размазывание» по под­ ложке.

Для изучения снежинок в свободной атмосфере с самолета ис­ пользуются как приборы, основанные на улавливании снежинок на движущуюся ленту [257], так и фотоэлектрические приборы [11]. При помощи фотоэлектрических приборов можно получать только некоторые данные о распределении снежинок и хлопьев по вели­ чине в какой-то относительной шкале размеров, причем вид кри­ сталлов при этих измерениях нельзя определить. По фотографиям или репликам как плоских, так и объемных снежинок, как пра­ вило, нельзя вычислить их массу. Объясняется это тем, что сне­ жинки имеют сложную пространственную форму с многочислен­ ными замкнутыми и незамкнутыми пустыми полостями.

Для измерения массы снежинки улавливаются на твердую или жидкую подложку, плавятся, а по объему образовавшейся при этом капли воды определяют вес снежинки. При плавлении сне­ жинок в слое масла они приобретают сферическую или сферои­ дальную форму, что позволяет однозначно определить их эквива­ лентный диаметр, т. е. диаметр сферы, имеющей тот же вес, что и снежинка.

По двум фотографиям, сделанным до и после плавления, мож­ но судить о массе и форме отдельных кристаллов [54, 171, 179, 298]. В том случае, когда снежинка или снежный агрегат распада­ ется на множество отдельных частей, вес гидрометеора определя­ ется как сумма весов отдельных капель [51].

Некоторое время для определения массы снежинок широко использовался метод их улавливания на фотоэмульсии, обработан­ ные специальным образом [340], или на пластинки, покрытые пара­ фином [10, 64]. Этот метод менее точен, чем улавливание снежинок в слой масла. Форма образовавшейся капли существенно зависит от формы упавшего кристалла и его ориентации и представляет со­ бой шаровые сегменты, искаженные на краях за счет смачивания. Вычисление объема такой геометрической фигуры по измеренным значениям диаметра и высоты может приводить к значительным ошибкам.

Для определения массы снежинок, снежных хлопьев и крупи­ нок широкое распространение получил метод фильтровальной бу­ маги [47, 169, 234]. Снежинки улавливаются на листы фильтро­ вальной бумаги, покрытой порошком сухого красителя, и плавятся. Как правило, при плавлении снежинки стягиваются в каплю, а затем впитываются бумагой, образуя круглое окрашенное пятно. Для определенного сорта бумаги имеется достаточно устойчивая связь между диаметром пятна D c и массой снежинки тс. Эта связь находится экспериментальным путем. В ряде случаев масса снежинки оказывается недостаточной для пропитывания всей тол­ щи бумаги. Если снежинка имеет сравнительно большую поверх­ ность и сложную структуру, то при плавлении она распадается на ряд отдельных капель.

Метод фильтровальной бумаги пригоден только в том случае,

когда эквивалентный диаметр снежинки меньше диаметра обра­ зующегося пятна. В противном случае снежинка (плоский кри­ сталл) при плавлении пропитывает только слон фильтровальной бумаги, непосредственно примыкающий к снежинке, что приводит к завышению значения тс. Для частиц сравнительно большой массы этот метод достаточно удобен. Подробно о нем говорится в п. 1.1, где рассматривается применение этого метода для опре­ деления массы капель дождя. Однако несмотря на удобство ме­ тода, он обладает малой точностью, особенно для частиц малого эквивалентного диаметра (rf< l мм), т. е. как раз тех частиц, из которых преимущественно состоит снегопад. При изучении отдель­ ных кристаллов предпочтение следует отдать методу улавливания частиц в масло; для крупинок и хлопьев удобнее применять ме­ нее точный, но более простой метод фильтровальной бумаги.

Определение скорости падения снежных агрегатов произво­ дится или их фотографированием через равные промежутки вре­ мени [51, 234], пли измерением времени пролета снежинками опре­ деленного расстояния в трубе или шахте [10, 47, 273, 300]. Во всех случаях скорость падения снежинок сопоставляется с их формой, размерами, массой или эквивалентным диаметром.

Для определения массы снежинок, для которых производится измерение скорости, их улавливают или на фильтровальную бу­ магу, или в масло. Следует отметить, что методика одновременного измерения скорости и массы снежинок очень трудоемка и в ес­ тественных условиях может производиться при скорости ветра не более 1—2 м/с.

Для набора массового материала о горизонтальной и верти­ кальной составляющих скорости падения снежинок, а также флук­ туациях скорости во времени снежинки фотографируют двумя ка­ мерами (используя стробоскопическое освещение), оптические оси которых направлены под углом 90° друг к другу [366], при ско­ рости съемки 20 кадров в секунду. По синхронным последователь­ ным фотографиям можно оценить, кроме изменения скорости па­ дения снежинок, изменение их ориентации при падении.

Для автоматизации измерения скорости падения снежинок предложено оптическое устройство [33]. При падении снежинки пе­ ресекают широкий пучок света. Световые импульсы, длительность которых обратно пропорциональна скорости падения снежинок, ре­ гистрируются фотоэлементом. Образующиеся электрические им­ пульсы с помощью набора полосовых фильтров разделяются на группы и подсчитываются с помощью механических счетчиков.

Объемная плотность снежинок не измеряется, а вычисляется по их массе и объему. В отличие от объема снежного агрегата, имеющего отдельные выступы или каверны, объем отдельной сне­ жинки простой правильной геометрической формы — величина фи­ зически вполне обоснованная. Обычно за объем снежных хлопьев принимают объем эллипсоида или сферы, описывающей данную структуру. Так как размеры снежинки определяются или по фото­ графиям или визуально, то возможны значительные ошибки в ос­

20

новном за счет большого субъективизма в выборе размеров опи­ сывающей поверхности. Как правило, отдельные, особенно боль­ шие и тонкие, выступы не рассматриваются.

Для измерения распределения снежинок п снежных хлопьев по величине или по эквивалентным диаметрам они улавливаются на листы фильтровальной бумаги или слои масла. При этом, в от­ личие от дождей, наблюдаются два вида распределения: по разме­ рам или массам отдельных кристаллов, выпадающих отдельно или объединенными в хлопья, и по размерам отдельных частиц и аг­ регатов. Снежный агрегат, состоящий из десятков пли даже сотен отдельных кристаллов, считается одной частицей. Изучение рас­ пределения элементарных частиц проще всего производить мето­ дом их улавливания в кюветы с маслом и последующего двойного фотографирования проб (до и после плавления). В снежных хлопь­ ях снежинки механически слабо друг с другом связаны и обычно легко распадаются на отдельные элементы. Случаи, когда снежин­ ки не расцепляются и при плавлении образуют одну каплю, легко «отбраковываются».

Для измерения распределения частиц снегопадов по эквива­ лентным диаметрам применяется либо их пространственное фото­ графирование, либо улавливание в кюветы с маслом, на фильтро­ вальную бумагу или на подложку из меха с последующим перенесением капель воды от снежинок на листы фильтровальной бумаги. Методика улавливания на твердую подложку хорошо заре­ комендовала себя при измерении распределения при температуре несколько большей 0°С [169, 307], когда снежные агрегаты за счет частичного подтаивания приобретают большую механическую прочность и не распадаются при падении.

При улавливании снежных хлопьев при отрицательной темпе­ ратуре никогда нельзя быть уверенным в том, что часть снежных хлопьев не распадается на составные элементы. Метод объемного фотографирования свободен от этих недостатков, однако при его применении первоначальное распределение получают в виде функ­

тальный.

Объемное фотографирование производится только в ночное время [50]. При помощи импульсной лампы большой мощности и линзы создается плоский пучок света (ось параллельна поверх­ ности земли), перпендикулярно которому на некотором расстоя­ нии помещается фотоаппарат (оптическая ось горизонтальна). Фокальная плоскость аппарата располагается в центре плоскопараллельного пучка света. При вспыхивании лампы все частицы, попавшие в объем, ограниченный ушлом зрения фотоаппарата, будут сфотографированы. На одном кадре делается большое коли­ чество отдельных снимков, так как фотографирование производится на «черном» фоне.

В целом методика исследования снегопадов очень громоздка. Объясняется это прежде всего тем, что масса, скорость падения и

21

•форма отдельных частиц не однозначно связаны с их эквивалент­ ными диаметрами. Для получения достаточно полной информации о снегопаде необходимо измерять несколько параметров и иссле­ довать их взаимосвязь, которые меняются не только от снегопада к снегопаду, но и в течение одного снегопада.

Так как исследование свойств отдельных частиц снегопадов до­ статочно трудоемкая операция, большое распространение получили методы исследования на моделях, имитирующих характерные фор­ мы снежных кристаллов. На моделях исследовались скорость и по­ ведение частиц при падении [132, 193, 195, 355]. При использовании моделей изучалось поведение снежинок различных геометрических форм, что позволило установить ряд характерных особенностей при падении кристаллов различной формы.

Вопытах Накайя [298] снежинки подвешивались на тонких нитях

иобдувались слабым потоком воздуха с заданными параметрами. Форма образующихся снежинок определялась визуально и по фо­ тографиям. К недостаткам установок такого рода следует отнести то, что условия роста подвешенной снежинки отличаются от усло­

диаметром 28 см и длиной 15 м создается поток воздуха с задан­ ными свойствами или поток облачных частиц, в котором подвеши­ вается или выпадает искусственная снежинка. Через каждые 3 м высоты в трубе имеются окна для визуальных наблюдений и фото­ графирования образующихся и выпадающих снежинок.

1.3. Исследования градин

Градины образуются и растут при температуре ниже 0°С, а вы­ падают (в условиях равнинной местности) при положительной температуре. Обычно выпадение града сопровождается выпаде­ нием капель дождя.

Для измерения количества льда и отдельно воды автором был предложен градодождемер, который в дальнейшем был усовершен­ ствован [16]. Градодождемеры представляют собой сосуды с при­ емным отверстием 200—300 см2, внутри которых под углом 45° по­ мещается направленный вниз экран. Под этим экраном под углом 45° расположен еще один экран из металлической сетки, также направленный вниз. Нижняя часть сосуда разделена перегородкой, образующей два отделения. В одно отделение по первому наклон­ ному экрану и далее через сетку стекает вода, в другое — по первому и второму наклонным экранам попадают градины. Кон­ струкцией предусмотрено, чтобы жидкая вода не попадала в от­ деление для твердых осадков. Приборы подобной конструкции предназначены только для определения количества воды, находя­ щейся в твердых и жидких осадках.

Для сбора градин с целью их последующего изучения применя­ ется прибор аналогичной конструкции, разработанный Карцивадзе

.22

и Махарашвили [36], но отличающийся тем, что отделение для града представляет собой стакан, помещенный в контейнер, охлаждае­ мый посредством водного раствора роданистого калия. Стакан ча­ стично заполняется охлажденным керосином, что препятствует смерзанию попавших в него градин [36]. С помощью этого прибора градины могут быть исследованы как непосредственно во время градобития, так и спустя некоторое время.

Оба описанных прибора обладают одним существенным недо­ статком— не дают возможности фиксировать начало выпадения града и его продолжительность.

Для измерения интенсивности града автором был сконструиро­ ван весовой градограф, в котором дно приемного сосуда выполнено в виде сетки. Капли дождя, проходя через сетку, не вызывают от­ клонения системы, а вес градин, задержанных сеткой, фиксируется на ленте. Попавшие в приемный сосуд градины тают, вода вытекает через сетчатое дно. Так как время таяния значительно больше времени выпадения града, по кривой градографа можно достаточно просто определить интенсивность и количество выпав­ шего града.

Для одновременного измерения интенсивности дождя (особенно выпадающего вместе с градинами) применяется обычный поплав­ ковый плювиограф, приемное отверстие которого закрыто выпук­ лой сеткой с ячейками 3X3 мм. Капли воды свободно проникают через сетку, а градины отскакивают от сетки и в приемное отвер­ стие прибора не попадают.

Большинство исследований градин произведено сразу же после выпадения их на землю. Наилучшей подстилающей поверхностью для сбора градин является земля, покрытая негустой травой. Тра­ ва смягчает удар и уменьшает вероятность раскалывания градин при падении [246, 247]. Если при сборе градин не ставится задача исследования их температуры или содержания в них воды, то гра­ дины улавливаются в охлажденное масло, керосин или тетрамин. Наилучшим следует признать метод улавливания в тетрамин или какуюглибо другую маслянистую жидкость, не растворяющую лед и не поглощающую воду [247]. В случае когда предполагается ис­ следование внутренней структуры градин, их плотности или фор­ мы, они собираются в полиэтиленовые мешочки и помещаются в хо­ лодильник при температуре — 10, —20° С , При такой температуреградины сохраняют свою форму без заметного изменения в тече­ ние двух лет. При более высоких температурах (выше —5° С) внутренняя структура градины может изменяться за счет рекри­ сталлизации [213]. Рекристаллизация, не изменяя формы градин,, приводит к изменению формы и размеров образующих ее кристал­ лов льда.

Масса градин измеряется путем простого взвешивания; ввиду их большого размера такие измерения трудностей не представ­ ляют. Кроме того, масса градин может быть определена по объему воды, образующейся после их плавления.

23−

Форма градин и их характерные размеры определяются или не­ посредственными измерениями при помощи приспособлений типа штангенциркуля [36], или их фотографированием на контрастной подложке совместно с масштабной линейкой, расположенной на уровне максимального горизонтального сечения. Если градины имеют неправильную форму, то воссоздать их форму трудно даже по серии фотографий с разных направлений. Лучшие результаты в этом отношении дает применение стереофотографированпя. Если не ставится задача дальнейшего исследования градин, то их форма может быть сохранена при помощи слепка. Градина со всех сторон покрывается слоем пластилина. После плавления градины вода вы­ ливается через небольшое отверстие. Через это же отверстие внутрь образовавшейся полости заливается жидкий раствор гипса.

к сферической, определяется на основе вычисления объема по из­ меренным размерам и взвешиванием, однако, если градина имеет неправильную форму, использование этого метода приводит к боль­ шим ошибкам. Поэтому более надежный метод определения плот­ ности градин — измерение их плавучести.

Плавучесть определяется при погружении градины, насажен­ ной на тонкую спицу, в жидкость с известной плотностью. Если спица закреплена на коромыслах весов, то можно одновременно определить вес и объем градины.

Для более быстрого определения плотности градин применяют набор жидкостей с различной плотностью, в которые последова­ тельно погружают градину. Величины плотностей двух жидкостей, в одной из которых градина тонет, а в другой плавает, определяют область, внутри которой заключена плотность градины. Этот метод пригоден только для определения плотности, а вес и объем не мо­ гут быть определены.

П . П. Махарашвили [63] предложил метод непосредственного измерения плотности градин, их пористости, содержания в них жидкой воды. Принцип измерения основан на уменьшении объема системы, состоящей из смеси градин и жидкости при полном тая­ нии градин.

По изменению объема градовых частиц при плавлении ДѴ, объема воздуха ДѴ', содержащегося в градинах и выделяющегося при таянии, и массы градин тѵ можно рассчитать для градин среднюю объемную плотность рг, пористость о (отношение объема

Рв — Рл

24

где рв — плотность воды, рл — плотность льда (рл=0,917 г/см5). При расчетах принимается, что давление воздуха в пузырьках рав­ но атмосферному.

Устройство для регистрации величин А У и АѴ' представляет со­ бой цилиндр с поршнем. В цилиндр помещаются градины общей массой шг, которые затем заливаются жидкостью так, чтобы она полностью вытеснила воздух, содержащийся внутри прибора. Верх­ няя часть поршня соединяется с измерительными трубками, поз­ воляющими точно фиксировать изменение объема при таянии и. количество выделившегося воздуха. Точность измерения при

вило, имеют слоистую структуру, причем плотность слоев разная. Для определения плотности отдельного слоя применяется мето­ дика, разработанная Витори, Копорико и Маклиным и усовершен­ ствованная Листом, Кантином и Ферландом [251]. Предварительно охлажденная градина распиливается по диаметру и точно взве­ шивается. Затем в слоях высверливаются отверстия глубиной 3— 5 мм и диаметром 2,5—4 мм, после чего градины снова взвешива­ ются. По изменению веса и объема градины за счет высверленных отверстий (при условии, что известно, какие именно слои были высверлены) можно рассчитать плотность льда в каждом слое. Этот метод очень громоздкий и не очень точный, так как слои не всегда представляют собой концентрические окружности и имеют достаточную толщину. Поэтому сверление может привести к усред­ нению плотности по двум или более слоям. Применение этого ме­ тода для измерения плотности слоев, имеющих толщину 1—2 мм, — технически трудная задача.

Более совершенным является рентгенографический метод [318, 319]. Из градины вырезаются пластинки толщиной 1—3 мм, кото­ рые затем фотографируются на просвет в рентгеновских лучах. Плотность почернения на пластинке пропорциональна плотности слоя градины рг

через исследуемые слои.

Кроме пузырьков воздуха и различных включений, внутри гра­ дины может находиться и незамерзшая жидкая вода. Для опре­ деления ее количества предложено два метода, один из которых основан на определении изменения объема при плавлении градины [63], другой — калориметрический [161]. Калориметрический метод основан на измерении температуры жидкости в калориметре до и

25

после помещения в нее градин с температурой, близкой к 0°С. Не­ трудно показать, что

Этот метод не абсолютный и нуждается в градуировке, которая производится непосредственным помещением в калориметр различ­ ного количества льда и воды при температуре 0°С. Ошибки этого метода ±0,1 г.

Для исследования внутренней структуры градин они разреза­ ются по максимальному медианному сечению, либо делаются тон­ кие срезы толщиной 0,3—3 мм, которые изучаются как в естест­ венном, так п в поляризованном проходящем плп отраженном свете. Для получения срезов предварительно охлажденную гра­ дину обрабатывают острым ножом, раскаленной проволокой или при помощи специального станка типа фрезерного [249].

Наибольшая трудность при приготовлении срезов — получение разрезов через ядро градины, ибо центр ядра, как правило, не совпадает с геометрическим центром градины.

Обычно производится последовательное срезание с двух сторон до тех пор, пока при очередном срезе не будет получено сечение, близкое к сечению, сделанному через центр ядра. Градины с та­ кими срезами при температуре хранения ниже — 10° С не изменяют своей структуры в течение длительного времени.

Кроме фотографирования, для исследования кристаллографиче­ ской структуры применяется метод реплик [96, 222, 328, 329]. Пре­ имущество этого метода перед непосредственным фотографирова­ нием состоит в том, что для кристаллографических исследований в этом случае достаточно получить разрез градин, а не готовить тонкие срезы. Кроме того, разрешающая способность метода реп­ лик выше, по ним можно определить структуру с характерными размерами до 10 мкм, в то время как в тонких срезах только до 200 мкм.

Приготовление реплик для срезов градин аналогично методике получения реплик сложных кристаллов. Однако для определения более четкой картины срезы предварительно полируются. Приготов­ ление одной реплики занимает около 1 часа времени (сюда же входит время, затраченное на полировку и осаждение на срезы паров формвара).

Скорость падения гладких сферических градин можно вычис­ лить, если известны их диаметр и масса. Однако в большинстве случаев градины имеют неправильную геометрическую форму с от­ дельными выступами и впадинами. В этом случае одним нз мето­

26

дов определения скорости является измерение коэффициента тре­ ния градины [245, 249]. С этой целью градина или ее модуль об­ дувается в аэродинамической трубе при различной ориентации. Как известно,

няя угол наклона модели или градины к оси потока, можно пост­ роить зависимость коэффициента сопротивления от ее ориентации в потоке. Однако этот метод несовершенен, так как за счет мелких нерегулярностей формы градины обычно кувыркаются или враща­ ются, поэтому коэффициент сопротивления меняется.

Более надежным методом является непосредственное измерение скорости падающей градины по времени пролета ее между двумя уровнями [66]. В приборе Молоканова градина последовательно пролетает через два ориентированных горизонтально пучка света. Скорость падения градин вычисляется по времени пролета между двумя уровнями. Затем градина улавливается, измеряется ее вес, объем и форма. Прибор достаточно прост и может применяться в полевых условиях.

Применение для определения скорости падения градин доппле­ ровских радиолокационных станций с вертикально ориентирован­ ным лучом может привести к большим ошибкам [99]. Объясня­ ется это тем, что образование града происходит при наличии в об­ лаках мощных восходящих потоков, величина которых соизмерима со скоростью падения градин. В результате скорость падения гра­ дин в воздухе (фактическая скорость падения в спокойном воз­ духе) II скорость падения относительно земли (скорость, измеря­ емая радиолокатором) могут существенно отличаться друг от друга. Кроме того, при использовании этого метода плотность и форма градин не определяется, что существенно снижает ценность по­ лучаемой информации. Именно этим объясняется то, что метод не получил широкого распространения.

Изучение распределения градин по величине началось срав­ нительно недавно, ранее исследователи обращали внимание, по существу, только на экстремальные значения веса или размера. Наиболее простым способом получения данных о распределении градин по размерам является непосредственное измерение размера или веса градин, выпадающих на некоторую поверхность за опре­ деленное время. Так как большие градины, падая на твердую под­ ложку, часто раскалываются, сбор града обычно ведется с поверх­ ности, покрытой невысокой травой или слоем песка.

Для автоматизации процесса измерения распределения градин по размерам М. П. Завертнев [29] сконструировал прибор, основан­ ный на сепарации градин при их перемещении через систему лот­ ков. Градины через большую воронку попадают на наклонный

27

приемный лоток с отверстиями различной величины. Диаметры отверстий в лотках увеличиваются с расстоянием от верхних к ниж­ ним лоткам. Под каждой группой отверстий одного размера по­ мещаются приемники, куда скатываются градины, размер которых меньше размера отверстий. По количеству воды, оказавшейся в приемниках после плавления градин, при условии, что градины имеют постоянную плотность и форму, можно судить о их концен­ трации. Таким образом, этот метод также не является абсолютным, ибо для вычисления распределения необходимо вводить ряд пред­ положений о форме и плотности градин.

При оценке разрушительной силы града основными парамет­ рами является их кинетическая энергия и количество. Исходя из этих соображений был разработан ряд приборов и устройств, при помощи которых непосредственно измеряется распределение вы­ павших градин по величине кинетических энергий. Используя раз­ личные предположения о плотности и форме градин, можно перей­ ти от распределения по энергиям к распределению по массам и размерам. Наиболее простое устройство подобного типа — корытце размером 150X150 мм, заполненное пластилином. Градины остав­ ляют в слое пластилина вмятины, площади которых пропорцио­ нальны энергии выпавших градин. При ветре вмятины имеют овальную форму, одиако величина произведения двух взаимно пер­ пендикулярных диаметров не зависит от ветра. При измерениях предполагается, что плотность градин порядка 0,9 г/см3. Предло­ женный метод не абсолютный, градуировка осуществляется при помощи стальных шариков различного диаметра, падающих с вы­ соты 10 м. Изменение плотности градин на 10% приводит к ошиб­ кам в измерении энергии на аналогичную величину [129, 333].

Видоизменением вышеуказанного метода является метод фоль­ ги. Листы тонкой алюминиевой фольги помещаются на мягкую подложку и выставляются при выпадении града. Градины при уда­ ре оставляют на листах фольги отпечатки, площадь которых про­ порциональна энергии падающей градины. Преимущество исполь­ зования фольги перед пластилином состоит в получении более устойчивых отпечатков, что позволяет не вести обработку непосред­ ственно после выпадения града.

Более совершенным является метод, основанный на измерении количества движения падающих твердых частиц [142]. Он, по су­ ществу, является модификацией микрофонного метода, применя­ емого для измерения капель в дождях. В измерительном устройстве в качестве мембраны используется толстая пластинка. При ударе градины пластинка приобретает некоторое количество движения, измеряемое посредством электронной схемы, аналогичной исполь­ зуемой в сейсмографах.

Естественно, что количество движения, полученное пластинкой, определяется формой, плотностью и упругостью градин. Однако при некоторых допущениях в значениях указанных параметров с помощью этого метода можно достаточно быстро и оперативно получить распределение градин по величине, массе или диамет­

28