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

исследовании более 30000 отдельных кристаллов, следует считать классификацию Магоно и Ли (табл. 13) [277]. Согласно этой клас­ сификации, снежные кристаллы подразделяются на семь типов: мглы, столбчатые, пластинчатые, комбинации из столбчатых и пла­ стинчатых, столбчатые кристаллы с боковыми пластинками, обзерненные кристаллы, кристаллы неопределенной формы и ледяные зародыши.

Предложенный способ обозначения форм снежных кристаллов об­ ладает большой наглядностью и позволяет в случае обнаружения нового вида кристаллов дополнять существующую классификацию, не изменяя ее общего вида. Так, в схему Магоно и Ли [277] вне­ сены разновидности кристаллов (C P ld, С Р Іе), которые часто на­ блюдаются в природе [30, 94], и кристаллы зародышевых форм, об­ наруженные в снегопадах Антарктиды [309].

Для наглядности авторы ввели также схематическое изображе­ ние снежных кристаллов (рис. 12). Изображение обладает высокой информативностью и наряду с фотографиями позволяет составить достаточно полное представление о форме снежного кристалла или снежинки.

До последнего времени в литературе в основном приводились результаты исследований снежных кристаллов (снежинок) почти правильной геометрической формы. Однако в естественных усло­ виях большинство из них имеет неправильную форму. Так,

69

кристаллы, имеющие более или менее четкую геометрическую форму (шестигранные пластинки, столбики, звезды), часто асимметричны, и форма их искажена за счет запндевенпя, обзерненпя и др. Рост снежных кристаллов, в частности преимущественный рост их боко­ вых граней или основании, образование новых центров их роста оп­ ределяются прежде всего температурой окружающей среды п пере­ сыщением водяного пара. Это подтверждается тем, что в тщательно контролируемых внешних условиях кристаллы растут строго опре­ деленной формы. Зависимость формы кристаллов от температуры внешней среды н пересыщения водяного пара Де наиболее на­ глядно можно проследить по диаграмме, впервые полученной Кампе и Вайкманом [202] и Накаіія [298] н в дальнейшем уточнен­ ной II дополненной Кобайясп [220, 221] Халетом п Мейсоном [176],

Мейсоном, Брпантом п Хейвелом [285], Шнмизу [337] п Омо [311]. Сводные данные этих авторов приведены на рис. 13. На рис. 13 сплошными прямыми линиями выделены достаточно резкие границы зон, а штриховыми линиями — менее четкие. Из рисунка видно, что в контролируемых условиях без принудительного обдува в зависи­ мости от величин пересыщения и температуры воздуха можно вы­ делить примерно 12 зон с определенной модификацией смежных кристаллов.

С ростом пересыщения вместо толстых сплошных призм и очень толстых шестигранных пластинок появляются более сложные формы в виде полых призм, длинных призм, на углах кристаллов начинают образовываться секторы и шипы, что приводит к появле­ нию развитых дендритов. Последние развиваются только при усло­ вии, когда пересыщение становится больше равновесного насыще­ ния пара над водой.

Зависимость формы кристаллов от температуры более сложна. При небольших изменениях температуры свойства кристаллов пре­ терпевают значительные изменения. При низких температурах фор­ мируются призмы, сплошные и пустотелые, далее при повышении температуры происходит перестройка формы и образуются сектор­ ные пластинки, затем дендриты п снова секторные пластинки.

72

Дальнейшее увеличение температуры приводит опять к резкой пе­ рестройке форм — появляются полые призмы, а затем иглы п снова пластинки. Причины такой резкой зависимости формы кристаллов от температуры еще не ясны. Мейсон, Бриант и Хейвел [285] вы­ двинули гипотезу, согласно которой скорость роста льда на гранях и основаниях гексагонального кристалла льда и зависит от темпе­ ратуры Т и определяется двухвершинными кривыми, сдвинутыми относительно друг друга. Это предположение основано на экспери­ ментальных данных о скорости роста плоскости кристалла при раз­ личных температурах [175], согласно которым кривые и(Т) пересе­ каются в трех точках. В результате для различных температур со­ отношение между скоростью роста на гранях п основаниях призм меняется: при одних температурах преобладает рост граней, при других — рост оснований. Хобс и Скот [186] предлагают несколько иную интерпретацию: скорость роста кристалла пропорциональна вероятности образования зародыша нового молекулярного слоя на поверхности растущего кристалла. Эта вероятность различна на гранях и основаниях и меняется с изменением температуры.

Обнаруженная во время опытов в камерах зависимость формы кристаллов от температуры п пересыщения неоднократно прове­ рялась в естественных условиях. Обнаружено хорошее соответствие форм кристаллов, выросших при сходных условиях в камерах и в естественных условиях [9, 163, 180, 240, 277, 368].

Кроме монокристаллов в облаке образуются и поликристаллическне соединения. В этом случае из одного или нескольких меха­ нически связанных друг с другом центров растут различные монокрпсталлпческие образования, что приводит к образованию частиц, носящих название «батареи» и «ежи» [30]. Пластинчатая батарея представляет собой снежинку, образованную двумя параллельными пластинками, соединенными друг с другом зародышем толщиной не более 30 мкм. Звездчатая батарея — это два звездчатых кри­ сталла, соединенных аналогичным образом. Столбчатая и игольча­ тая батареи — столбики или иглы, соединенные боковыми поверх­ ностями и растущие параллельно друг другу. Однако часто наблю­ дается механическое соединение двух столбиков или игл в виде креста. Наблюдения на моделях показали, что такой вид соедине­ ния— обычное явление при совместном падении столбчатых форм кристаллов [193]. Так, при 0,1 < R e< 10 цилиндры с диаметром De, первоначально находящиеся на расстоянии примерно 50 D c, соеди­ няются друг с другом и в дальнейшем выпадают соединенными под прямым углом.

Снежинки, имеющие поликристаллическую структуру, когда пло­ скости и оси кристаллов ориентированы в пространстве произволь­ но, называются «ежи». Различаются игольчатые, пластинчатые, звездчатые, пулевидные, столбчатые, пластинчато-пулевидные, пла- стинчато-запонковые ежи. Основной особенностью этих кристаллов является их рост из одного центра или близко расположенных не­ скольких центров. Форма основных видов ежей ясна из их на­ звания.

73

Когда один конец столбика полый и он расширяется к откры­ тому концу, то такие кристаллы обычно называют «чаши» [76] или «кубки» [64].

Кроме вышеперечисленных классических форм кристаллов, иногда наблюдаются формы, которые трудно объяснить, исходя из привычных представлении о кристаллической форме льда. К этим формам относятся так называемые цветы маргаритки, т. е. плоские образования, состоящие из отдельных овальных лепестков, соеди­ ненных концами вместе [297, 345]. Эти кристаллы имеют диаметр около 200 мкм II наблюдаются при температуре — 10, — 12° С в об­ лаках с водностью 0,08 г/м3.

Трудно поддается объяснению и образование в облаке кристал­ лов в виде буквы Т. В этих кристаллах от центра столбика перпен­ дикулярно ему начинается рост другого столбчатого кристалла, который по длине равен половине основного кристалла [341].

В результате замерзания облачных капель при низких отрица­ тельных температурах (ниже •—30° С) в облаке образуются кри­ сталлы необычной формы [309]. Одна из разновидностей этих кри­ сталлов— тонкие шестигранные пластинки, края которых не пер­ пендикулярны основаниям, а состоят из двух граней, сходящихся

вплоскости центрального сечения, параллельного основаниям под углом 90°. Эти кристаллы имеют 14 гранен; у некоторых кристал­ лов боковые грани соединяются вместе посредством дополнитель­ ных граней, перпендикулярных к плоскости основания (G7). Коли­ чество граней кристаллов этого типа равно 20. Эта разновидность кристаллов образуется при температуре —47° С. Вышеуказанные типы кристаллов неустойчивы и после образования преобразуются

втонкие пластинки или столбики.

Разновидностями перечисленных выше форм далеко не исчер­ пывается все многообразие встречаемых в снегопадах снежинок. Объясняется это тем, что после зарождения на некотором уровне снежные кристаллы перемещаются в расположенные ниже слои, где температура и пересыщение могут быть совершенно иными, в результате чего и происходит видоизменение первоначальных форм. Эти изменения в основном проявляются в том, что ранее выросшие частицы усложняются за счет роста на концах, гранях или ребрах основного кристалла других кристаллов. Усложнение частиц происходит также за счет оседания на кристаллах капель облака. Замерзая, капли образуют моно- и поликристаллы, кото­ рые в некоторых случаях могут становиться зародышами и дают начало новым кристаллам [275]. Новые кристаллы растут под раз­ ными углами как параллельно, так и перпендикулярно к поверх­ ности, на которую они осели. При параллельном росте новых кри­ сталлов такой же формы, что и базисного, образуются «бата­ реи» [30].

Когда на поверхности базисного кристалла оседает несколько капель, большинство из которых становится центрами роста вто­ ричных кристаллов с осями, ориентированными в основном пер­ пендикулярно поверхности, происходит процесс, получивший на­

74

звание «заиндевенне» [30]. Так как облачные капли оседают на по­ верхности, направленной навстречу потоку, то образовавшиеся на ней кристаллы находятся в более благоприятных условиях для ро­ ста, ибо постоянно обдуваются потоком свежего воздуха. В ре­ зультате эти кристаллы растут быстрее и достигают размеров, пре­ вышающих размеры основного кристалла. Выросшие кристаллы изменяют аэродинамику частицы, что приводит к изменению ее ориентации при падении, перераспределению поступающего пара

ипреимущественному росту какого-либо одного края. Эти процессы приводят к появлению несимметричных снежинок.

Втом случае, когда скорость осаждения капель облака на па­ дающий кристалл велика, происходит существенное изменение его формы за счет сглаживания острых углов и заполнения внутренних промежутков. Этот процесс, носящий название «обзернение», при­ водит в конечном счете к превращению кристалла в крупинку. Когда кристаллы попадают в слои воздуха с недосыщением по от­ ношению ко льду, они начинают испаряться. Испарение приводит к утонынению кристаллов, уменьшению их механической прочности

ик их раскалыванию. В результате в снегопадах наблюдаются кристаллы, представляющие собой обломки больших кристаллов — отдельные лучи звезд, ежен, запонок.

Довольно часто выпадают снежные кристаллы в виде столбиков

сзаостренным концом. Эти характерные образования получили

название «пули» C lc , C id (см. рис. 12). По-видимому, снежинки этого типа образуются в облаках не непосредственно, а появля­ ются в результате разрушения длинных столбиков или более сложных форм — столбчатых ежей С2а. Столбчатые ежи образу­ ются в том случае, когда в центре столбчатого кристалла начи­ нает расти другой столбчатый кристалл или из общего центра вы­ растает сразу несколько столбчатых кристаллов. Так как посту­ пающая к кристаллу паровая влага в основном перехватывается периферийными частями кристалла, рост в центре, т. е. в месте соединения кристаллов, замедлен. В результате образуется агре­ гат, состоящий из пуль, соединенных острыми концами. Количество отдельных пуль в агрегате может достигать девяти [211]. Все ука­ занные факторы приводят к появлению в снегопадах большого разнообразия форм снежинок. Поэтому для большинства из пред­ ставленных в табл. 13 форм кристаллов область их существования на рис. 13 не указана.

Из рис. 13 видно, что снежные кристаллы развиваются в сплош­ ные столбики на ранних стадиях роста пересыщения, т. е. когда давлениенасыщающего пара близко к равновесному, и превра­ щаются в столбики, сплошные пли пустотелые, при увеличении пе­ ресыщения. Различие между толстыми пластинками С1д и сплош­ ными столбиками С іе часто неопределенно, ибо эти две формы не имеют естественных четких критериев для их разделения. Принято, что кристаллы, для которых отношение гексагонального диаметра (диаметра описанной окружности) к' толщине не превышает 0,5— 0,8, являются столбиками, а больше 0,5—0,8 — толстыми пластин­

75

ками [30]. Кристаллы вида завитков и чаш часто наблюдаются в условиях роста кристалла на твердой подложке, т. е. при образо­ вании инея в естественных условиях и в камерах для искусствен­ ного выращивания кристаллов. В свободной атмосфере такие кри­ сталлы обнаружены не были.

Этот вывод достаточно достоверен, так как основан на анализе более чем 30 000 отдельных снежинок [277].

Пластинчатые кристаллы с лучами на основании (Р6) образу­ ются в результате усложнения ранее возникших форм при падении кристаллов через нижележащие слои облака. Образование кри­ сталлов этого вида начинается в верхних частях облака при тем­ пературе—20° С.

Плоские кристаллы с пространственными ответвлениями на концах (СРЗ) также являются сложными образованиями. Возни­ кают они в результате последовательного роста при прохождении ими двух зон. Образования кристаллов этих видов начинаются при температуре — 10° С.

Кристаллы, известные в литературе как «снежная пудра», обычно наблюдаются при температуре от —25 до —35° С и пред­ ставляют собой комбинацию нз мелких столбчатых и плоских кри­ сталлов (S).

В отдельную группу (тип R) выделены все обзерненпые кри­ сталлы, причем их подразделение проведено по степени обзернения: слабое, сильное, круповпдное (R). Кристаллы типа G в естест­ венных условиях на поверхности земли наблюдаются крайне редко, так как являются зародышами снежинок и встречаются на ранней стадии зарождения в капельных облаках. Включение этого типа кристаллов в общую классификацию позволяет получить закончен­ ную картину всех встречающихся в облаке, подоблачном прост­ ранстве и камерах снежных кристаллов.

Так как образование частиц различной формы определяется температурой и пересыщением воздуха, то повторяемость выпаде­ ния кристаллов различного вида тесным образом связана с физи­ ко-географическими особенностями района. Например, в центре

76

3.2. Снежинки простой геометрической формы

Наиболее простыми формами снежинок, которые без труда под­ даются определению, являются неискаженные или слабо искажен­ ные снежные кристаллы, плоские гексагональные пластинки, стол­ бики, пули и иглы. Эти кристаллы представляют собой более или менее правильные шестигранники с различным соотношением ос­ нований и высоты. Характерные размеры кристаллов: длина или высота (высота шестигранной призмы), гексагональный диаметр — диаметр описанной вокруг основания окружности, гексагональная ширина — диаметр вписанной в основание окружности. В даль­ нейшем для описания призматических кристаллов будут использо­ ваны сокращенные термины: высота, диаметр и ширина. Эти харак­ терные параметры достаточно полно описывают форму кристаллов, что дает возможность сопоставлять измерения, проделанные в раз­ личных районах. Кроме того, поведение таких кристаллов просто исследовать на моделях, ибо сочетание различных параметров да­ леко не беспредельно.

где D — коэффициент диффузии водяного пара в воздухе, ра, рь — плотность насыщения водяного пара в воздухе и у поверхности кри­ сталла, Р — периметр кристалла в плоскости, перпендикулярной направлению его движения, ѵс — скорость падения кристалла, р —■ плотность воздуха, р — коэффициент динамической вязкости воз­ духа, А — поверхность кристалла, С — электрическая емкость кри­ сталла, которая определяется его формой.

Электрическая емкость тонких шестигранников и звезд близка к электрической емкости тонкого диска диаметром d и толщиной/;:

Для игл и столбиков величина С близка к емкости цилиндра диаметром d и длиной /,

Первое слагаемое в выражении (42) определяет скорость роста покоящегося кристалла, второе — увеличение скорости роста кри­ сталла за счет его движения (вентиляционный множитель F). Влияние вентиляционного множителя на скорость роста реальных снежинок точно не определено. Если считать, что вентиляционный

77

множитель для кристаллов определяется тем же самым выраже­ нием, что и для капель, т. е. F = 1-fO,22Re'/3 [212], то при значениях числа Рейнольдса, которые обычно имеют место у падающих кри­

сталлов (l< R e < 1 0 0 ), значение вентиляционного множителя лежит в пределах 1</г< 3 . Для кристаллов с характерными размерами I менее 0,1 мм указанная поправка несущественна. Для кристаллов с /, равными примерно 1 и 5 мм, величина второго слагаемого до­ стигает 1,5 и 5 соответственно [227].

Реальные снежинки имеют сложную форму, п расчет скорости их роста может быть проведен только приближенно. Однако, как показали измерения в электролитической ванне, влияние формы на скорость роста гексагональных кристаллов ие очень велико [290, 315]. Так, замена расчетных значении скорости роста эллип­ соида, имитирующего иглу, цилиндром с диаметром, равным

27%. Замена при расчетах диска иа шестигранный цилиндр при­ водит к завышению расчетных данных на 14%. С другой стороны, плоская шестнлучевая звезда, имеющая те же размеры, что п диск, растет в 1,2 раза медленнее шестигранной пластинки, а ше­ стигранная пластинка с тонкими выступами (иглами) на углах, длина которых равна половине большой диагонали шестигранника, растет быстрее в 1,26 раза. При учете разнообразия форм снежи­ нок все эти изменения относительно малы, и их можно не учиты­

Вестественных условиях образование пластинчатых кристаллов

впервом температурном интервале обычно не происходит, так как вероятность образования ледяных зародышей при столь высо­

кой температуре мала.

Основная область образования шестигранных пластинок заклю­ чена в интервале температур — 10, — 13°С и — 17, —20°С.

9 мм. Максимальное отношение диаметра пластинки к ее толщине, наблюдаемое в естественных условиях, может быть равным 100 [95]. Чем меньше размеры пластинки, тем больше отношение ее характерных размеров приближается к единице, т. е. на начальных этапах роста она представляет собой короткий столбик. При дости­ жении пластинкой размера П с=Ю 0 мкм на ее углах может на­ чаться рост секторных лучей, а при ZDC> 600 мкм — игольчатых лу­ чей. При увеличении длины лучей пластинка превращается в звезду, секторную, пластинчатую или игольчатую, причем четкой границы перехода между двумя видами образований установить невоз­ можно. А. Д . Заморский предлагает считать снежинку пластинкой, если длина лучей меньше Vs ее гексагонального диаметра. Следует

78

отметить, что из-за нечеткости понятии «звезда» и «пластинка» оценка повторяемости этих форм существенно зависит от выбора условных границ, применяемых исследователями. Для характери­ стики этих двух видов кристаллов обычно используют соотношения между их толщиной и диаметром. Результаты измерений, получен­ ные по большому числу наблюдении, показывают, что в среднем

тмг Iffm

Рис. 14. Зависимость массы снежных кристаллов, снежинок пластинчатых форм и крупы от их максимальных размеров fl0, 298].

для простых пластинок, пластинок с секторными игольчатыми и пластинчатыми лучами, секторных плоских дендрнтов, папоротни­ кообразных 4 и 12-лучевых звезд имеет место одна и та же законо­ мерность, связывающая толщину h (длину боковой грани) с гекса­ гональным диаметром cfr (размеры в микронах) [95],

Размеры отдельных кристаллов значительно отличаются от средних значений, причем в широком диапазоне значений

79