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

гексагонального диаметра толщины пластинки достаточно равно­ мерно расположены в интервале значении /г (1 ±0,4). Для сравни­ тельно узкого диапазона размеров пластинок 0,4 мм<гіг<2,0 мм

получена также зависимость массы кристалла от величины его гексагонального диаметра (рис. 14) [10].

При температуре — 10° С и слабом пересыщении образуются сплошные призмы. Во всем диапазоне пересыщений при темпера­ турах от —6, —8 и до —23° С, кроме сплошных призм, образуются также и пустотелые (Сіе и C if) .

Отношения высоты к гексагональным диаметрам призм могут быть самыми разнообразными (от 1 до 12) (рис. 15). Различия в структуре призм, образующихся в «теплой» и «холодной» обла­ стях (рис. 13), не обнаружено [310]. Для столбиков средняя зависи­

80

мость между длиной кристалла h и его диаметром dr может быть представлена в виде:

Вышеуказанные соотношения относятся к столбчатым кристал­ лам, образовавшимся при сравнительно больших пересыщениях и низких температурах (зоны 5, рис. 13) или при высоких темпера­ турах и низких пересыщениях (зоны 10, рис. 13).

При низких температурах ( Г < —35° С) и небольших пересы­ щениях образуются столбики, длина которых меньше 0,1—0,15 мм (Nie) [337]. У кристаллов этого типа отношение высоты к гексаго­ нальному диаметру изменяется от 10 до 50. Основное отличие та­ ких кристаллов от двух предыдущих типов — слабовыраженная внутренняя и внешняя структура.

Плоскость сечения шестигранных столбиков (перпендикулярно направлению высоты) имеет вид неправильного шестигранника, причем отклонения от формы правильного шестигранника могут достигать значительных величии. Если за меру отклонения взять

тельно простую форму, близкую к столбикам, находятся иглы. По определению А. Д . Заморского, иглы представляют собой трубку, имеющую на каждом конце 3—4 ланцетовидных лепестка. Они об­ разуются в узком интервале температур (—4, —6° С) при различ­ ном пересыщении. Максимальная длина игл —3 мм при толщине до 150 мкм. Связь между длиной иглы /ін и максимальной диаго­ налью основания ш выражается соотношением

рисунка видно, что, несмотря на наличие пустот и нерегулярности формы, разброс значений невелик.

Скорость падения ѵс плоских снежных кристаллов определяется выражением [273]

(48)

0,0100

0,0010

призмы, однако практическое использование этих выражений за­ труднено, ибо, как правило, не известны точные значения величин h и C D. Более удобным является вычисление скорости в зависи­ мости от безразмерных параметров:

82

для цилиндров с различным отношением диаметра к длине приве­ дены на рис. 17.

Сравнения расчетных значений скоростей падения для кристал­ лов правильной формы с данными измерений показывают, что вы­ ражения (49) — (51) правильно отражают свойства естественных снежинок и расчеты по ним дают значения скорости, близкие к ско­

разную толщину в центре и по краям, и их внутренняя структура неоднородна (имеют место отдельные включения в виде пузырьков воздуха и полостей).

По экспериментальным данным (рис. 18) зависимость скорости падения снежинок пластинчатых форм от их гексагонального диа­

Для снежинок правильной геометрической формы на моделях были получены закономерности скорости их падения и ориентации при падении [118, 192, 193]. При Re«=0,01, что соответствует части­ цам с dr^50 мкм, ориентация плоского кристалла в воздухе произ­ вольна. Когда l< R e < 3 0 (0 ,l< d r< l мм), снежинки ориентируются горизонтально. Такая ориентация сохраняется и для более крупных

V с ч/с

180

160

ПО

Две снежинки, имеющие форму шестигранников и находящиеся па расстоянии порядка гексагональных диаметров, догоняют друг друга и затем падают вместе. Крупные пластинки (R e> 100) при совместном падении могут образовывать «бабочку», один диск при этом располагается горизонтально, а два других своими краями касаются друг друга и центра горизонтального кристалла, нх пло­

они меняют свою ориентировку и падают так, что их высота распо­ лагается горизонтально. При Re<50 кристаллы падают стабильно, но при больших значениях Re начинаются колебания, что связано с появлением и отрывом вихрей.

Кристаллы игольчатых и столбчатых форм диаметром от 0,01 до 0,1 мм, первоначально находящиеся на расстоянии порядка 50 диаметров, при падении соединяются друг с другом: два кристалла соединяются под прямым углом, при трех кристаллах— два па­ раллельно рядом, а третий — перпендикулярно этим двум. В есте­ ственных условиях имеет место самая различная ориентация двух или большего количества кристаллов. Объясняется это прежде всего тем, что даже правильные шестигранники и шестигранные пластинки имеют несимметричные отклонения.

3.3. Снежинки сложной и неправильной формы

Снежинки типа звезд, звездчатых и пластинчатых батарей, зве­ здчатых, пластинчатых запонок, хотя и состоят из частей правиль­ ной формы, имеют достаточно сложное строение, вследствие чего для их всестороннего описания в общем случае необходимо боль­ шое количество параметров. Так как у снежинок сложных форм нет естественных критериев, позволяющих тот или иной параметр принять за основной, а все остальные рассматривать как вспомога­ тельные, то снежники сложных форм обычно описывают одним из параметров — максимальной длиной, диаметром описываемой сферы или осями описываемого эллипсоида. При этом отдельные отростки, существенно изменяющие общий вид снежинки и мало влияющие на массу и скорость падения, во внимание не принима­ ются. Подобное упрощение позволяет достаточно просто сопостав­ лять форму и характерный размер снежинок с плотностью, массой, скоростью падения и выводить основные соотношения.

Характерной формой снежинок сложной формы являются «зве­ зды», представляющие собой симметричные шестилучевые плоские кристаллы (тип Р, исключая Ріа, Рба и Р6Ь (см. рис. 12). Частицы этого вида отличаются сложностью и, хотя по своей структуре звезды симметричны, их детальное описание не может быть осуще­ ствлено при помощи разумно ограниченного числа параметров.

Форма лучей у звезд очень разнообразна — от иголок (иголь­ чатая звезда) до пластинок (пластинчатая звезда). Из-за многооб­ разия снежинок, имеющих форму звезд, нх часто подразделяют на большое число видов и подвидов, однако из-за отсутствия четких

85

естественных границ между звездами различного вида такое под­ разделение вряд ли оправдано.

Звезды образуются в области температур — 13, — 17° С при среднем п сильном пересыщении, и усложнение их формы проис­ ходит при падении через нижележащие слои облака, где' дальней­ ший рост происходит на концах лучен в виде секторных пластинок, призм и игл. Рост кристалла в различных зонах продолжается на концах лучен или на ответвлениях лучей, что вызывает появление многообразнейших разновидностей кристаллов.

На целесообразность объединения всех плоских звезд в одну группу указывает сходство основных параметров у звезд различ­ ного внешнего вида. Так, например, зависимость между толщиной II гексагональным диаметром у звезд, имеющих широкие пластин­ чатые и игольчатые лучи, а также у звезд с пластинками на кон­ цах и с секторными концами одна и та же и равна

Л=2,028я,г’431. (53)

Это соотношение близко к аналогичному для гексагональных пла­ стинок с небольшими лучами (Р2с):

Соотношение между Іі и dr для снежинок плоских форм без под­ разделения по типам и видам может быть описано соотношением

которое объединяет шестигранные пластинки, пластинки с сектор­ ными ответвлениями, пластинки с игольчатыми п секторными лучами, плоские звезды с широкими лучами, звезды с пластинками и секторами на концах, плоские дендриты, звезды с папоротнико­ образными лучами, четырехлучевые звезды и звезды с 12 лучами. При одном и том же гексагональном диаметре толщина кристалла лежит в пределах h( 1—0,4)—Л(1+0,4), причем величина Іі внутри этого интервала равновероятна [95]. (Величины h и dr в мкм.)

Масса снежинки звездчатой формы, естественно, зависит от ее формы, ибо чем меньше ширина лучей, тем при том же диаметре меньше масса.

Так как толщина лучей меняется от основания к концам, то для вычисления массы звезд необходимы измерения большого количе­ ства различных параметров, что трудно осуществить практически. Минимальный гексагональный -диаметр звезд равен 0,3 мм [167], максимальный достигает 9 мм (по наблюдениям в предгорьях Кав­ каза) .

Площадь кристаллов звездчатых форм значительно меньше пло­ щади описанного круга (табл. 15). Поэтому кристаллы этого вида, несмотря на большие размеры, имеют небольшую массу и скорость падения.

Связь массы звездчатых кристаллов с их линейными размерами, по данным работ [10] и [298], приведена на рис. 16. Как н следовало ожидать, при тех же размерах массы звезд с развитыми развет-

■86

вленнымн пластинчатыми лучами в несколько раз меньше массы

пластинчатых звезд.

Таблица 15

Значения коэффициентов, используемых для вычисления отношения площади

поперечного сечения звездчатых кристаллов s к площади описанного круга s0 (s/s0=Adr + B) '[94]

Ввиду многообразия встречаемых в естественных условиях звездчатых кристаллов и отсутствия естественных критериев для выделения различных групп и подгрупп любое соотношение между массой снежинок и их линейными размерами будет достаточно субъективно. Нетрудно видеть, что, хотя характер связи между массой и размерами снежинок один и тот же, конкретные значе­ ния параметров существенно разные. Так, для звезд с развитыми разветвленными пластинчатыми лучами

где т в граммах и dr в миллиметрах, а для пластинчатых звезд

Для звездочек с развитыми разветвленными пластинчатыми лу­ чами в первом приближении можно предложить выражение

Пластинчатые звезды и сильно разветвленные дендриты имеют тот же характер падения, что и шестигранные тонкие пластинки.

87

В основном все звезды, кроме самых больших (dr> 5 мм), падают, ориентируясь горизонтально. Частицы большого размера при со­ хранении среднего горизонтального-падения колеблются вдоль од­ ного из диаметров пли прецессируют. Особенно большие и тонкие звезды, так же как н плоские пластинки, начинают парить, описы­ вать спирали большого диаметра или вращаться вокруг вертикаль­ ной оси. Вследствие сильно разветвленной поверхности н малой массы звездчатые кристаллы имеют наименьшую скорость падения по сравнению со всеми остальными кристаллами той же массы. Наименьшую скорость падения имеют звезды с развитыми развет­ вленными пластинчатыми лучами (РІЬ).

Некоторое время существовало мнение, что скорость падения звезд не зависит от их диаметра [64]. Однако более поздние наблю­ дения опровергли это мнение. Оказывается, чем больше диаметр частицы, тем при прочих равных условиях больше скорость падения.

Пластинчатые звезды (Р 1с) и тонкие шестигранники (Nie) имеют одну и ту же зависимость скорости падения от гексагональ­

где ис в см/с, a dr в мм (рис. 18). Для звезд с развитыми слаборазветвленнымн и неразветвлениыми пластинчатыми лучами (Plc) за­ висимость скорости от гексагонального диаметра описывается вы­ ражением

для звезд с развитыми разветвленными пластинчатыми лучами

В облаках при определенных физических условиях идет форми­ рование частиц вполне определенной формы. Однако в снегопадах большое количество частиц имеет сложную, неправильную форму. Главным механизмом образования частиц сложной неправильной формы является рост кристаллов на зародыше, состоящем из не­ скольких отдельных кристаллов. Так как каждый кристалл ориен­ тирован самостоятельно, то происходит формирование сложных не­ симметричных пространственных образований. Кроме того, капли •облака, осевшие на кристалл и замерзшие на нем, дают начало росту новых кристаллов, которые, вырастая в произвольном месте основного базисного кристалла, могут полностью изменить перво­ начальную форму гидрометеора. При этом образуются столбчатые и пластинчатые ежи, пушинки и бесформенные кристаллы.

Характер замерзания капель после осаждения на поверхность кристалла существенным образом зависит от температуры окру­ жающего воздуха. При температуре —5° С капли, диаметром от 20 до 100 мкм при замерзании образуют один кристалл с таким же расположением осей кристаллической структуры, как у подложки.

↔8

В данном случае усложнение формы будет незначительным, ибо рост нового кристалла будет происходить совместно с ростом ба­ зисного [275]. При замерзании капли, осевшей на кристалл, при температуре —30° С в пей образуется большое количество от­ дельных кристаллов с различной ориентацией осей. В промежу­ точной области температур при замерзании капель образуются кристаллы как с упорядоченной, так н с произвольной ориента­ цией осей.

Различный характер замерзания зависит не только от темпера­ туры, мо II от диаметра осаждающихся капель. Чем больше диа­ метр капель, тем больше вероятность образования полнкрпсталлпческой структуры или произвольной ориентации осей [275].

Ориентация падения снежинок сложной неправильной формы может быть самой произвольной и определяется соотношением раз­ меров и масс отдельных элементов. Соотношение между макси­ мальными размерами и массой снежинок для некоторых сложных форм приведено на рис. 16 (C P la, R3b, R7b). Из-за небольшого количества данных и малого изменения характерных размеров ана­ литическая зависимость типа mc (dr) или тс (Іі) может служить только в качестве первого приближения. Для пуль с небольшими пластинками у основания (СР) при /г>2 масса в мг равна:

в центре ЕТС, являются по сути дела только иллюстративным ма­ териалом (см. рис. 18) [10].

Снежинки неправильной формы при падении несколько меняют свою ориентацию (вращаются или описывают спирали). В резуль­ тате скорость их падения изменяется. Согласно измерениям, при средней скорости падения 91,7 см/с на отдельных участках пути снежинка двигалась с минимальной скоростью 74,1 см/с и макси­ мальной 100,9 см/с. Для 17 отдельных измерений величина квадра­ тичного отклонения скорости составляла 0,42—4,5 см/с. Наряду с вертикальной составляющей скорости снежинки имели п горизон­ тальную составляющую, средняя величина которой была 8,4 см/с

89