книги из ГПНТБ / Мучник, В. М. Физика грозы

Рис. 28. Скоростная съемка (2000 кадров/с) со­ ударения с относительной скоростью 3 м/с, слия­ ния и немедленного разрушения двух капель диа­ метром 6 и 7,5 мм. Снимки через каждые четыре кадра. По Котону и Гокхейлю [272].

разрушения капель радиусом 300 мкм требовалось, чтобы скорость их лобового соударения составляла 0,12 от их конечной скорости

Непосредственные измерения диаметров капель разных типов дождей показали, что в обложных дождях максимальный диаметр капель не превышает 4 мм. В ливневых дождях наблюдаются капли больших диаметров, 5—6 мм. Только несколько сообщений [505 и др.] указывает на существование капель диаметром 7 мм. Следовательно, если на высотах в кучево-дождевых облаках и имеются капли диаметром более 5—6 мм, то при падении боль­ шая их часть уменьшается до размеров, не превышающих указан­ ные. Поэтому надо допустить, что в облаках существуют процессы, которые препятствуют росту капель, достигших по диаметру 5— 6 мм. Такими процессами могут быть спонтанное разрушение ка­ пель и их разрушение при соударении друг с другом и твердыми частицами.

Исследования Бланшара и Спенсера [239] в какой'-то степени подтвердили такие предположения. Струя воды, выпускавшаяся

•с высоты 60 м в спокойный воздух, создавала у земли дождь ин­ тенсивностью 190—1900 мм/ч. Наибольшие капли имели диаметр 9 мм. Бланшар и Спенсер получили, что капли диаметром больше 5 мм разрушаются при падении на несколько сотен метров и что вследствие соударения капель должен установиться экспоненци­ альный тип распределения, наблюдаемый в дождях.

1.10.2. Разрушение капель при соударении с градинами. Срывание капель с градин при таянии

Вследствие срывания капель с градин в областях мокрого роста и в результате таяния градин в грозовых облаках сущест­ вует смесь градин и капель. Тем самым предопределяется соуда­ рение градин с каплями и разрушение последних. Возможны два типа соударений — лобовые и касательные. К первым следует от­ нести все те соударения, при которых капли отражаются от ниж­ ней части градины без существенного скольжения, а ко вторым — ■соударения со скольжением и отрывом в верхней части градины.

Из опытов В. М. Мучника [130], Шевчука и Ирнбарне [515, 516] следует, что при лобовых соударениях степень дробления возра­ стает с увеличением скорости соударения градин и капель. С уве­ личением размеров капель также происходит увеличение степени дробления. Если модель градины была покрыта водяной пленкой, то наблюдалось возрастание количества мельчайших капелек по сравнению с опытами с сухими моделями. При касательных соуда­ рениях капли с градиной происходило срывание воды в виде струйки, которая дробилась на мелкие капельки.

88

Вопрос об углах соударения градин и капель, при которых на­ блюдается переход от лобовых соударений к скользящим, совер­

(отсчет угла ведется от вертикали). Значение критического угла имеет тенденцию к уменьшению с увеличением скорости соуда­ рения.

Бланшар [236] исследовал механизм срывания капель с поверх­ ности тающих градин в вертикальном потоке воздуха. По мере таяния вода сгоняется потоком воздуха вверх по поверхности гра­ дины, в результате чего непосредственно над горизонтальной эква­ ториальной линией образуется ободок из воды. В какой-то момент

к вершине, по-видимому, под действием гидродинамических сил, вызванных понижением давления в кильватерном следе градины. Как указывает Бланшар, иногда отрываются капли диаметром до 5 мм, которые в свою очередь раздробляются на значительное число более мелких капелек.

1.10.3.Относительная потеря массы каплями

всильных электрических полях

Вразделе 1.5 приведены сведения о влиянии сильных электри­ ческих полей на возникновение неустойчивости капли, в резуль­ тате которой происходит выбрызгивание струек. Здесь будет рас­

смотрена потеря массы каплями как следствие выбрызгивания

взависимости от напряженности поля выше критической.

Вэкспериментах Зелени [591] было обнаружено, что с увели­ чением потенциала, прилагаемого к капилляру с каплей на конце, происходило увеличение интенсивности струек, вырывающихся из поверхности воды. Количественные соотношения были впервые по­ лучены Мекки [411] при падении капель в горизонтальном элек­ трическом поле в течение примерно 0,05 с.

Как следует из табл. 12, потеря массы возрастает с увеличе­ нием размеров капель и напряженности поля выше критической при коронном разряде. В случае искрового разряда потеря массы резко возрастает по сравнению с потерей при коронном. Вместе с тем потеря массы с положительно поляризованного конца капли значительно превышает потерю с отрицательно поляризованного конца. Доусон [278] объяснил это явление воздействием коронного разряда, который происходит одновременно с выбросом струйки. Коронный разряд слабо влияет на выброс с положительного по­ люса и сильно — на выброс с отрицательного.

Более полные и тщательные исследования были выполнены Леземом [375]. Он определил потерю массы каплями как функциюнапряженности поля (рис. 29) и времени экспозиции (рис. 30). При экспозиции 0,2 с потеря массы каплей радиусом 1,91 мм

89'

Т а б л и ц а 12

Потеря массы каплями при разрушении в горизонтальном электрическом поле. По Мекки [411]

начинается при критической напряженности около 8,5 -10s В/м и быстро увеличивается с увеличением напряженности, достигая при 11,5-ІО5 В/м 35% первоначальной массы. Если время экспозиции меньше 2- 10-2 с, потеря массы такой каплей даже при напряжен­

А т/т %

ьи]/ т %

ности поля 11,25ІО5 В/м не наблюдается. С увеличением времени экспозиции отмечается вначале весьма быстрое увеличение потери массы, которое затем замедляется.

Дальнейшее исследование потери массы под действием силь­ ных электрических полей произвел Метыос [434]. Он получил, что капли радиусом 2,15 мм при 9- ІО5 В/м теряют около 20% своей массы при экспозициях от 0,10 до 0,18 с и менее 1% при экспози­ циях меньше 0,07 с. Капля радиусом 2,8 мм при напряженности около 7,9-ІО5 В/м и экспозиции 0,07 с теряет всего 5% своей

■90

Глава 2

СТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫХ ОБЛАКОВ

Грозовые явления в умеренных широтах развиваются в основ­ ном в конвективных облаках, а именно в кучево-дождевых. Даже в тех случаях, когда эти явления наблюдаются летом на теплых фронтах, которым вообще свойственны облака слоистых форм, вследствие неоднородности условий происходит чаще всего раз­ витие неустойчивости и образование кучево-дождевых облаков.

Для изучения природы грозы необходимо иметь достаточно полное представление об образовании, развитии и строении ку­ чево-дождевых облаков. Уже исследования Бейерса и Брейема [255] позволили выделить три стадии развития конвективных об­ лаков: 1) кучевых, 2) зрелости, 3) диссипации. Это представление о стадийности развития кучево-дождевых облаков в дальнейшем многократно уточнялось.

Так как основные процессы грозообразования протекают в зре­ лых кучево-дождевых облаках, ограничимся их рассмотрением, а также остановимся на вопросах перехода мощных кучевых об­ лаков в кучево-дождевые.

2.1. КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫЕ ОБЛАКА

Из самого названия вытекает основная характеристика кучево­ дождевых облаков, отличающая их от мощных кучевых облаков. Она заключается в том, что из кучево-дождевых облаков выпадает обычно ливневый дождь. Наблюдения за ливневыми дождями при­ вели к выводу, что они могут выпадать как из чисто капельно­ жидких облаков, так и из облаков со смешанной фазой воды. В умеренных широтах ливневые дожди образуются наиболее ча­ сто в кучево-дождевых облаках со смешанной фазой. В тропиче­ ских областях частота возникновения ливней в капельно-жидких облаках больше, чем в умеренных. Капельно-жидкие кучево-дож­ девые облака будем называть теплыми, хотя их вершина может находиться при отрицательных температурах. Однако когда идет речь о кучево-дождевых облаках и не делается каких-либо огово­ рок, всегда подразумеваются облака со смешанной структурой.

92

2.1.1. Ливневые дожди из теплых кучево-дождевых облаков

Длительное время предполагалось, что в умеренных широтах только слабая морось (радиус капель порядка 100 мкм) может образоваться в капельно-жидких облаках, что даже сравнительно слабый дождь может выпадать исключительно из облаков со сме­ шанной фазой.

Вместе с данными, подтверждающими представление о том, что в умеренных широтах ливневые дожди образуются при кристал­ лизации переохлажденных вершин мощных кучевых облаков, по­ является все больше материала, указывающего на возможность их возникновения в теплых облаках. Так, наземные радиолокаци­ онные наблюдения в разных географических районах умеренных широт позволили обнаружить в ряде случаев появление первого радиоэхо ниже уровня изотермы 0°С [225, 352 и др.]

Рассмотрим условия, необходимые для роста облачной ка­ пельки до размеров дождевой капли в мощных кучевых облаках. На основании многочисленных наблюдений за спектром дождевых капель можно считать, что их концентрация в среднем равна при­ мерно ІО3 м-3. Концентрация облачных капелек в мощных кучевых облаках составляет в среднем около ІО8 м_3. Таким образом, шанс превратиться в дождевую каплю имеет небольшое число капелек. Остальные капельки являются материалом для образования дож­ девой капли. Естественно предположить, что наибольшие шансы превратиться в дождевые капли имеют капельки максимальных размеров. Наблюдения за спектром облачных капелек показали, что в мощных кучевых облаках имеются крупные капельки (радиу­ сом 20—30 мкм), способные расти за счет коагуляции.

Финдайзен [296] вычислил скорость коагуляционного роста капли, падающей в монодисперсном облаке с постоянной водно­ стью при отсутствии восходящих токов. Затем Я. И. Френкель и Н. С. Шишкин [187] произвели расчеты для случая с постоянными восходящими токами, а Н. С. Шишкин [198] — для случая, когда скорость восходящих токов убывает с высотой. Лэнгмюр [109] учел влияние коэффициента эффективности соударения капель на ско­ рость их роста. Шишкин [199] рассчитал конденсационный и коа­ гуляционный рост капель при постоянных восходящих токах и постоянной водности в облаках, и он же рассчитал случай с пере­ менной водностью. Весьма обстоятельные расчеты были выпол­ нены Ю. А. Баруковой и др. [11]. На рис. 31 приведена кривая зависимости радиуса капель (града) от средней скорости восходя­ щих токов в начальный период в конвективных облаках. Из гра­ фика следует, что размер капель (градин) почти линейно зависит от средней скорости восходящих токов. В [11] предположено, что механизм роста града совершенно такой же, как и дождевых капель, и результаты их расчетов распространены на частицы, имеющие размеры градины.

На основании таких расчетов было получено, что в конвек­ тивных облаках с вертикальной мощностью 2—3 км может

93

образоваться дождь. В результате многие авторы пришли к выводу, что коагуляция капель является основным механизмом роста гидро­ метеоров и что появление твердой фазы только несколько уско­ ряет их рост, а не является необходимым условием образования ливневых дождей. Этот спор нельзя считать завершенным, так как

менения, т. е. является сто­ хастическим процессом. В по­ следнее десятилетие предпринимаются попытки исследовать сто­

хастический процесс формирования спектра капель в облаках (В. И. Беляев [13], И. П. Мазин [110], Л. М. Левин и Ю. С. Седунов [106] и др.) и отдельные попытки исследования стохастиче­ ского процесса роста дождевых капель (И. П. Мазин [ПО]).

Электрические поля и заряды в капельно-жидких конвективных облаках сравнительно невелики, однако это касается только сред­ них значений. В небольших объемах и за малое время электриче­ ские заряды и напряженность поля, а также водность могут Зна­ чительно превышать свои средние значения. Это позволило И. М. Имянитову и др. [74] высказать предположение, что в таких объемах создаются особенно благоприятные условия для интен­ сивного роста капелек и такие объемы являются «питомниками» крупных капелек, которые вырастают до размера дождевых капель.

94

2.1.2. Кристаллизация вершин мощных кучевых облаков

Типичное, так сказать, «классическое» кучево-дождевое облако представляет собой большую облачную массу диаметром около 10 км, верхняя граница которой лежит на высоте более 5 км над

Рис. 32. Вид с самолета кучево-дождевого облака с кристалличе­ ской наковальней, 25 июля 1964 г., Западная Украина. Ф о т о Е. Е. Корниенко.

поверхностью земли, и характеризуется ярко выраженной кри­ сталлической вершиной в виде наковальни из перистых облаков (рис. 32). Вместе с тем у значительного числа облаков наковальня отсутствует или недостаточно хорошо выражена, но тем не менее

95

они имеют смешанную структуру и проявляют себя во всех отно­ шениях так же, как кучево-дождевые облака. С. М. Шметер [204] обнаружил, что во многих случаях по внешнему виду нельзя от­ личить мощные кучевые облака от кучево-дождевых: верхняя часть последних нередко напоминает цветную капусту, что во- обще-то характерно для мощных кучевых облаков, но вместе с тем в них наблюдается интенсивное радиоэхо и даже грозовые разряды. Шметер считает, что существуют три стадии развития кучево-дождевых облаков: стадия роста, для которой характерен быстрый подъем вершины и сохранение внешнего вида капельно­ жидкого облака (Cb calvus); стационарная стадия, характеризую­

при которой происходит разрушение капельно-жидкой части ку­ чево-дождевого облака, а вершина, превратившаяся в перистое облако, часто продолжает самостоятельное существование.

Кристаллизация вершин мощных кучевых облаков и их преоб­ разование в кучево-дождевые могут происходит за счет двух про­ цессов: спонтанного замерзания капелек или их замерзания при внесении посторонних ледяных зародышей. Воздушные токи, ско­ рость которых в вершинах достигает 1—-2 м/с, могут переносить вверх капли диаметром 100—500 мкм. При температуре в вершине ниже —12° С уже существует некоторая вероятность замерзания таких капель. Возможно, что капли имеют некоторые шансы за­ мерзнуть при температурах выше —12° С при поступлении ядер кристаллизации на их поверхность [311]. Если в атмосфере присут­ ствуют ледяные кристаллы, то при падении они могут попасть в переохлажденную вершину мощных кучевых облаков и вызвать кристаллизацию. Особенно обильный засев ледяными кристал­ лами возможен при наличии перистых облаков [240].

Приведенные выше механизмы кристаллизации могут объяс­ нить только возникновение кристаллизации, но не разительное несоответствие, достигающее нескольких порядков величины, между концентрациями ледяных кристаллов и ядер замерзания в вершинах кучево-дождевых облаков [366 и др.]. Для объяснения этого несоответствия необходимо ввести представление о сущест­ вовании в вершинах кучево-дождевых облаков механизма размно­ жения ядер кристаллизации. Мейсон [430] обратил внимание на то, что при замерзании капель образуются ледяные кристаллы, которые могут служить вторичными ядрами кристаллизации. Кроме того, они могут образоваться в результате обламывания веточек дендритных кристаллов и усиков, вырастающих на по­ верхности ледяных частиц ([442] и др.). Распространение вторич­

А. П. Чуваев [75]), то вследствие этого, как показали В. М. Муч­ ник и Ю. С. Рудько [141], скорость распространения кристаллиза­ ции должна увеличиться.

96