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

где и — энергия активации самодиффузии молекул; Wc — работа образования зародыша; k — постоянная Больцмана; Т — абсолют­ ная температура; А — коэффициент пропорциональности.

По Л. Г. Качурину [79], вероятность кристаллизации монодисперсного аэрозоля пропорциональна вероятности образования за­

родыша w, объему V, за­ Іпт с нимаемому жидкостью, и

времени т:

секунды. Для этого же времени замерзания, но для капель радиусом 10 мкм требуется

уже температура около —21° С. Туман с еще меньшими капель­ ками, радиусом 1 мкм, может быстро замерзнуть только при тем­ пературах ниже —40° С. Качурин [80] рассчитал также скорость замерзания полидисперсных аэрозолей.

На результаты экспериментальных исследований замерзания переохлажденных капель большое влияние оказывает чистота воды и окружающего воздуха, а также вещество подложки или подвески капель. В большинстве ранних опытов на эту сторону вопроса обращалось недостаточно внимания.

В ряде опытов, выполненных в последнее десятилетие, более низкие температуры замерзания капель получались в тех случаях, когда применялась более чистая вода и более чистый воздух. Опыты с капельками микронных размеров из чистой воды и с тща­ тельно очищенным воздухом привели к выводу, что температура спонтанной кристаллизации равна около —4ГС . Было обнару­ жено, что зависимость температуры замерзания капель чистой

57

воды от их размеров выражена сравнительно слабо. Так, капли радиусом до 100 мкм имели среднюю температуру замерзания около —35° С, а капли радиусом до 1 мм удавалось переохладить до температуры ниже —30° С.

Существует предположение, что температура замерзания ка­ пель зависит от скорости их переохлаждения. Однако тщательные опыты по замерзанию капель диаметром 2,7 мм показали, что при увеличении скорости охлаждения почти на порядок температура замерзания понижается менее чем на 0,5° С [552].

На вероятность кристаллизации должна также оказывать влия­ ние скорость падения частиц, так как с ее ростом увеличивается вероятность захвата ядер кристаллизации. В. А. Дячук [42] про­ водил опыты по замерзанию капель радиусом 1—1,5 мм в воздухе,

вкотором наблюдались ледяные кристаллы. Когда их содержание

впотоке было небольшим, при скорости потока 6 м/с и темпера­ туре —6° С только 62% капель переохлаждалось до этой темпера­ туры, а остальные замерзали при более высокой температуре, при

температуре — 10° С 22%, а при —12° С уже 0%.

В связи с возможным действием грозовых разрядов на кри­ сталлизацию переохлажденных капель возникла необходимость исследовать влияние механических воздействий и адиабатического расширения воздуха на их замерзание. Гойер и Плустер [317] со­ здавали ударные волны в переохлажденном тумане. При темпера­ турах ниже —36° С наблюдалась кристаллизация, которую, как они считают, обусловливает адиабатическое расширение влажного воздуха. Расчеты показали, что при ударе молнии адиабатическое охлаждение вблизи канала является недостаточным для того, чтобы вызвать кристаллизацию. Гойер [315] пришел к выводу, что в радиусе около 6 м от канала молнии все капли диаметром, пре­ вышающим 1 мм, претерпевают грибообразное разрушение *, что, согласно Кенигу [367], облегчает их замерзание и образование ледяных частиц.

1.6.3. Влияние электрических сил на кристаллизацию переохлажденных капель

Влияние зарядов и электрического поля грозовых облаков на кристаллизацию переохлажденных капель может проявляться дво­ яким образом. Во-первых, может осуществляться непосредствен­ ное влияние электрических сил на состояние переохлажденных капель, приводящее к их кристаллизации при более высоких тем­ пературах, чем при отсутствии этих сил. Во-вторых, электрические силы могут влиять на частоту поступления на поверхность пере­ охлажденных капель активных ядер кристаллизации, что может привести к увеличению вероятности кристаллизации капель при данной температуре переохлаждения.1

1 Капля в момент разрушения принимает форму гриба с утолщенными краями.

58

Первые исследования влияния электрического поля на замер­

Он помещал каплю дистиллированной воды в смесь масел и хло­ роформа таким образом, чтобы плотность смеси была равна плот­ ности воды. При разрядах катушки Румкорфа через каплю происходило ее внезапное замерзание. Но Дюфо считал, что при­ чиной замерзания является действие не электрических сил, а ме­ ханических.

Начиная с 50-х годов нашего столетия был выполнен ряд ис­

зультаты экспериментов не являются однозначными. Так, Рау [478] помещал капли переохлажденной воды на полированную хро­ мированную подложку при температурах от —4 до —7° С. Когда создавалось поле напряженностью (2-г-6) • ІО6 В/м и возникал искровой разряд, происходило замерзание капель. Рау пытался объяснить действие электрического поля его ориентирующим влия­ нием на дипольные моменты молекул воды.

Шефер (см. в [475]) исследовал поведение переохлажденных капель воды, находящихся на поверхности пластика, в поле, создаваемом катушкой Тесла, т. е. в переменном поле с частотой в несколько килогерц. При искровом разряде обнаруживался по­ ложительный эффект. Однако, когда подобные опыты были повто­ рены в облаке переохлажденных капелек, находящихся в холо­ дильной камере, кристаллизация не наступила.

Солт [493] помещал капли объемом 2 - 10"8 м3, находящиеся на алюминиевой подложке, в холодильную камеру. При отсутствии электрического поля кристаллизация капель наступала при тем­ пературах не выше —10° С. При включении переменного поля с частотой 60 Гц и напряженностью до 1,5-ІО6 В/м температура кристаллизации повышалась до. —6° С. Солт, так же как и Рау, пытался объяснить действие электрического поля ориентацией мо­ лекул воды. Бланшар [238], возражая Солту, считает, что причи­ ной влияния электрического поля является образование при раз­ рядах загрязнений в воздухе, окружающем каплю. Электрическое поле способствует также увеличению скорости попадания актив­ ных ядер кристаллизации на поверхность капли.

веденным выше. Так, капли в электрическом поле замерзали при более низкой температуре, причем для этого требовалось больше времени, чем без поля.

.Из приведенных выше исследований можно заключить, что для влияния на кристаллизацию переохлажденных капель требуются электрические поля, напряженность которых по крайней мере не меньше критической, обусловливающей их разрушение. Действи­ тельно, попытки В.М. Мучника и Ю. С. Рудько вызвать замерзание

59

ратурах переохлаждения ниже —6° С включение поля приводило к внезапной кристаллизации капель.

Так как существовала неясность относительно причин, вызы­ вающих кристаллизацию переохлажденных капель, то Пруппахер [475] предпринял исследование, целью которого было установить, что влияет на кристаллизацию: непосредственно электрическое поле или токи коронного разряда. Кроме того, он повторил упо­ мянутые выше эксперименты для того, чтобы убедиться в их достоверности. Так, он помещал капли дистиллированной деиони­ зированной воды на подложку из полиэтилена. Капли, переохлаж­ денные до —5, —7° С, при приближении к ним заряженного тре­ нием стержня из тефлона и при проскакивании искры замерзали. Такой же эффект наблюдался в поле катушки Тесла, создающей колебания частотой 3—4 МГц и напряжением (4-^5) • ІО4 В, когда капли находились на гидрофобной поверхности при температуре —4° С, т. е. при такой температуре, при которой они без поля не замерзали.

Пруппахер [475] помещал капли дистиллированной деионизи­ рованной воды в трубки из полиэтилена, плексигласа, полихлор­ винила или тефлона. В некоторых случаях капли находились в жидком масле (силиконовом, парафиновом). Таким образом, на капли действовало только электрическое поле, а не коронный разряд и не влияли условия, создаваемые им в воздухе. При от­ сутствии электрического поля капли во всех опытах замерзали при температурах ниже —10° С. В электрическом поле напряжен­ ностью выше 3 • ІО5 В/м появлялась некоторая вероятность замер­ зания капель, находящихся в трубках с воздухом, при темпера­ туре —4° С; вероятность достигала 100% при напряженности поля 1,5-ІО6 В/м. Замерзание всегда начиналось на границе трех фаз: вода-—воздух—пластик. Интересно, что веточки дендритов, про­ растающих при кристаллизации, ориентировались в направлении поля. Такое же влияние, как и постоянное поле, оказывало пере­ менное поле в пределах от 60 Гц до 3—4 МГц. По-иному вели себя капли, которые плавали в масле. Они замерзали только тогда, когда поле имело достаточную напряженность для нарушения их устойчивости. Когда такие капли в поле разрушались и касались пластика, то они замерзали при —4° С, но при этом мельчайшие капельки, которые вырывались из них, оставались жидкими. Вме­ сте с тем в трубочках, целиком наполненных водой, замерзание не наступало даже при температуре —15° С и напряженности поля 3- ІО6 В/м. Если же в воде оказывался пузырек воздуха или ка­ пелька масла, то замерзание наступало при —4° С.

воды существует, но оно не обусловливается ориентацией молекул и частицами, которые образуются в результате разряда. Кристал-

60

лизация воды имеет место только в том случае, когда происходит деформация поверхности раздела вода—воздух или вода—масло и при этом осуществляется смещение воды по поверхности твердой подложки. Таким образом, Пруппахер считает обязательным усло­ вием проявления влияния электрического поля на кристаллизацию воды присутствие твердого тела. Механизм этого влияния заклю­ чается, согласно Пруппахеру, в том, что под действием больших зарядов, которые образуются на поверхности твердого тела при разрыве поверхности жидкости, в ней возникают комплексы мо­ лекул, соответствующие строению льда и играющие роль ядер кристаллизации.

Подтверждение представлений Пруппахера [475] получили Т. Г. Габарашвили и Н. В. Глики [26]. В верхнюю часть вертикаль­ ной плоской кюветы с водой, переохлажденной до —3° С, они опу­ скали кристаллы холестерина и нафталина. Первое вещество яв­ ляется кристаллизирующим реагентом, повышающим температуру замерзания воды, тогда как второе таковым не является. При опу­ скании незаряженного кристалла нафталина при —3° С кристал­ лизация воды не наблюдалась. Если на кристалл подавался по­ тенциал —3000 В, то кристаллизация начиналась на его поверхно­ сти и распространялась в глубь воды. При потенциале +3000 В кристаллизация не наблюдалась. Неразряженный кристалл холе­ стерина вызывал кристаллизацию при —3°С, а при потенциале —3000 В уже при —1°С. Потенциал +3000 В, наоборот, снижал температуру кристаллизации до —5° С. Из этих экспериментов следует, что электрические силы влияют на расположение молекул воды вблизи поверхности твердого тела таким образом, что при­ водят к возникновению льдоподобных структурных образований, которые вызывают кристаллизацию воды. При этом отрицатель­ ное поле способствует возникновению водородных связей между молекулами и образованию льдообразных молекулярных комплек­

с каплями дистиллированной воды диаметром 0,5 мм, находящи­ мися на поверхности стеклянной пластинки, погруженной в сили­ коновое масло, в электрическом поле напряженностью от 1 • 10° до 9 • ІО5 В/м не противоречат представлениям Пруппахера. Рулло обнаружил, что с повышением напряженности поля температура замерзания капель повышается. Однако из опытов с туманом, об­ разовавшимся в камере при адиабатическом расширении, было получено, что при повышении напряженности поля от 1• ІО5 до 5 • ІО5 В/м также наблюдалось увеличение вероятности замерзания капелек, которое определялось по числу образовавшихся и выпав­ ших ледяных кристаллов. В этом случае замерзание капелек про­ исходило без соприкосновения воды с твердым телом.

Вкакой-то степени подтверждением представлений Пруппахера

[475]о необходимости присутствия всех трех фаз для вызывания кристаллизации капель при разрушении в электрическом поле

G1

являются также результаты экспериментов Аусмана и Брука [217]. Они сообщили, что при воздействии электрическим полем вплоть до критических напряженностей не обнаруживалось увеличение вероятности кристаллизации капель радиусом 1,2; 1,5 и 2,7 мм при отрицательных температурах до —9° С при их свободном падении.

К совершенно противоположным выводам по сравнению с Пруппахером [475] н Аусманом и Бруком [217] пришли Аббас и Лезем [209]. Они исследовали поведение переохлажденных капель радиусом от 1,06 до 1,34 мм, подвешенных на стерженьках из изо­ лятора в холодильной камере, при воздействии на них электриче­ ским полем или механическим встряхиванием. В результате было получено, что если при температурах от 0 до —22° С происходит разрушение капель под действием электрических или механических сил с образованием нитей, то оно сопровождается кристаллиза­ цией капель. Аббас и Лезем считают, что при этом не происходит смещение капли относительно стерженьков и что это смещение вообще не играет существенной роли в замерзании капель. Такой вывод следует из данных, которые были ими получены. Например, за 5-минутные интервалы вероятность замерзания капель в элек­ трическом поле, не достигающем критических значений, или при интенсивном механическом встряхивании при температурах пере­ охлаждения —5, —10, —15 и —20° С равна: 0; 0,02; 0.07 и 0,18

соответственно. Если же капли подвергались разрушению электри­ ческим полем или их поверхность разрушалась с помощью изоли­ рованной нити или проводящей проволочки, то для указанных значений температуры была получена вероятность замерзания

0,44; 0,62; 0,75; 0,88 и 0,25; 0,44; 0,50, 0,58 соответственно. Следо­ вательно, для одной и той же температуры переохлаждения веро­ ятность замерзания капель данных размеров наибольшая при раз­ рушении силами электрического поля, несколько меньше при разрушении механическими силами и сравнительно мала при от­ сутствии разрушения поверхности капель или образования водя­ ных нитей.

В дополнение к описанным опытам следует упомянуть об экс­ периментах Кенига [367]. Он разрушал переохлажденные капли диаметром около 3 мм, подвешенные на петельке, струйкой воз­ духа таким образом, чтобы имитировать грибообразное разруше­

водяная пленка, в несколько десятков молекулярных слоев, при разрушении которой образуются водяные нити.

Для объяснения результатов своих экспериментов Аббас и Ле­ зем [209] привлекают представление Леба [400] о роли тонких пе­ реохлажденных водяных нитей в образовании ядер кристаллиза­ ции. Леб указывает, что, когда образуются из полярных молекул агрегаты, размеры которых порядка ІО-8 м, поверхностное натя­ жение уже не в состоянии придать агрегату капельную форму. Агрегаты в этом случае приобретают форму мельчайших кристал­

62

литов. Заряженный кристаллит имеет соответственно ориентиро­ ванное поле, которое влияет на эффективные водородные связи, и будет действовать как ядро кристаллизации. Поэтому появление тонких нитей переохлажденной воды в электрическом поле спо­ собствует образованию заряженных кристаллитов и увеличивает вероятность замерзания капель. Возможно, что кристаллиты по­ являются и при разрушении тонких водяных пленок, как это про­ исходит при грибообразном разрушении капель.

Лезем [377] считает, что при слиянии капель даже в слабых электрических полях между ними образуется водяная нить, в ко­ торой могут возникнуть кристаллиты. В результате произойдет замерзание обеих капель. В подтверждение Лезем приводит част-

Рис. 20. Гаителеобразные замерзшие капельки. По Лезему [377].

ное сообщение Смита об опытах по взаимодействию переохлаж­ денных капель, падающих в электрическом поле; в этих опытах капли замерзали с образованием перемычки между ними (рис. 20).

—5° С [377].

Аббас и Лезем [209] выполнилиопыты по замерзанию капель с различным содержанием растворимых газов. Они установили, что вероятность замерзания капель, разрушаемых электрическим полем и насыщенных хорошо растворимыми газами (С02 и SO2), выше, чем капель, находящихся в равновесии с воздухом, и зна­ чительно выше, чем капель, не находящихся под воздействием поля.

Несмотря на значительные различия результатов эксперимен­ тальных исследований действия электрических сил иа кристалли­ зацию переохлажденных капель, можно считать, что такое влия­ ние существует. Но есть еще необходимость в проведении дальней­ ших исследований.

63

1.В.4. Особенности замерзания капель воды, вторичные ядра замерзания и влияние электрических сил

на их эффективность

Рассмотрение некоторых аспектов образования дождя пока­ зало, что в облаках недостает ядер кристаллизации, необходимых

когда переохлаждение происходит весьма медленно. Когда замер­ зание наступает при слабом переохлаждении капли, на ее поверх­ ности появляется весьма тонкая ледяная стекловидная оболочка; она совершенно прозрачна и вследствие неравномерности кристал­ лизации подвержена интенсивной деформации (рис. 21 а). При силь­ ном переохлаждении, например до —10° С, па поверхности капли

64

образуется толстая ледяная оболочка. Кристаллизация происходит настолько быстро, что заметная деформация поверхности не обна­ руживается (рис. 21 ж). Оболочка становится матовой из-за бы­ строго выделения при замерзании абсорбированного водой воз­ духа, который в виде мельчайших пузырьков заполняет ледяную оболочку.

Если у капель с топкой прозрачной оболочкой давление воз­ духа уменьшается вследствие деформации поверхности, то у ка­ пель с толстой матовой оболочкой давление воздуха непрерывно возрастает. Это приводит к прорыву оболочки в отдельных местах. Зачастую через отверстия прорыва выливаются на поверхность небольшие порции воды, создается впечатление «вскипания». Ино­ гда вода выбрасывается в виде струйки [81].

воды, которая расширяется при замерзании. В. М. Мучник и ІО. С. Рудько [139] обнаружили, что после замерзания капли в ее жидком ядре появляются пузырьки воздуха, которые начинают расти. Это приводит к появлению выпуклости на поверхности капли (рис. 21 в). По мере накопления воздуха в пузырьке проис­ ходит дальнейшее выдавливание оболочки и образование рога (рис. 21 г). Часто происходит раздутие и прорыв воздуха в вер­ шине рога (рис. 21 е). Таким образом, рога представляют собой трубочки, заполненные воздухом.

При замерзании капли часто взрываются, разлетаясь на от­ дельные части (рис. 21 а). По измерениям Висажи [554], в замер­ зающих каплях диаметром 7—10 мм развивается весьма большое давление, достигающее десятков бар. Согласно наблюдениям Мей­ сона и Мейбепка [431], Мучника и Рудько [139] и др., взрываются почти исключительно прозрачные капли. Причина этого заключа­ ется в том, что матовый лед имеет губчатую структуру. Было об­ наружено, что на частоту взрывания замерзающих капель оказы­ вает сильное влияние присутствие углекислого газа и вентиляция. С увеличением концентрации углекислого газа частота взрывания замерзающих капель увеличивается, а с увеличением интенсив­ ности вентиляции — уменьшается [42, 354].

Дей и Хоббс [287] обратили внимание на влияние условий теп­ лового равновесия на частоту взрываний капель при замерзании. В случаях теплового равновесия капель с окружающей атмосфе­ рой из 48 капель радиусом около 0,5 мм ни одна не разрушилась, хотя наблюдалось образование рогов и трещин. В тех же случаях, когда замерзание происходило при отсутствии теплового равнове­ сия или при сильных переохлаждениях, наблюдалось взрывание капель. В опытах В. А. Дячука [42], в которых отсутствовали в масштабах капли градиенты температуры и вследствие венти­ ляции тепловое равновесие наступало весьма быстро, частота слу­ чаев взрывания капель была небольшой.

Бмгг [232] исследовал образование осколков при замерзании капелек облачных размеров. Если замерзание капелек происхо­ дило при температуре около —30° С, то наиболее часто число ос­ колков не превышало семи. Сравнительно редко встречались слу­ чаи, когда одна капелька давала более 10 осколков. Мейсон и Мейбенк [431] для капель радиусом 1000 мкм обнаружили до­ вольно четкую зависимость образования ледяных осколков от тем­ пературы переохлаждения. Чем ниже эта температура, тем меньше среднее число осколков на одну каплю. Наблюдалась -хорошо вы­ раженная зависимость максимального числа осколков от дефор­ мации капель при замерзании. При отсутствии сильной деформа­ ции (образование рогов) максимальное число осколков па одну каплю составляло 10—20, а при образовании рогов оно увеличи­ валось на целый порядок — 150—200.

Результаты опытов Дея и Хоббса [287] оказались в противоре­ чии с результатами, приведенными выше. При давлении воздуха 1000 мб из 48 капель только две дали осколки, хотя на значитель­ ной части капель наблюдались рога и трещины. Выход ледяных кристаллов был небольшим. Так, при —10° С одна капля дала два осколка, а другая — один осколок. При уменьшении давления до 100 мб частота образования осколков увеличилась: из 12 капель пять дали от одного до четырех осколков.

Ю. С. Рудько [162] измеряла разность времени замерзания оди­ ночных капель и пар капель с момента их погружения в холодиль­ ную камеру. Если из поверхности капель вырываются осколки, то они должны служить вторичными ядрами кристаллизации. Вслед­ ствие этого разность времени замерзания пар капель должна быть меньше, чем для одиночных. Действительно, в этих опытах была обнаружена такая закономерность.

Браунскомб и Торндайк [252] установили, что свободно па­ дающие капли дистиллированной воды радиусом 60—120 мкм, за­

—5 до —15° С частота разрушения капель, как правило, не превы­ шает 10%. Капли больших размеров имеют несколько большую частоту разрушения.

Исследования образования ледяных осколков при соударении капель с поверхностью ледяной сферы диаметром 5,5 мм, поме­ щенной внутри аэродинамической трубы, были выполнены Леземом и Мейсоном [381]. Они обнаружили, что при соударении со скоростью 10 м/с капель радиусом 40 мкм с поверхностью ледя­

дяных осколков при фиксированных температуре и размере капель имеет максимум для скорости потока 10 м/с, весьма быстро умень­

.66