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

увеличивается сила адгезии. В частности, для разделения двух ледяных сфер радиусом 1,25 мм при температуре —15° С и отно­ сительной влажности 51% требовалась сила 8 -ІО-5 Н, а в поле напряженностью 1• ІО5 и 2 - ІО5 В/м потребовалось уже соответст­ венно 1 2 -ІО-5 и 25,6* ІО“5 Н. Авторы считают, что сила адгезии увеличивается за счет электростатического притяжения поляризо-

М од ель А В С D

Рис. 25. Конфигурации моделей для исследования увеличения сил взаимо­ действия между ледяными кристаллами по сравнению со сферами эквива­ лентного радиуса гэкв. По Сондерсу [501].

ванных сфер, так как не обнаруживалось увеличение ледяной пе­ ремычки между сферами.

Для оценки увеличения сил взаимодействия между ледяными кристаллами разной конфигурации по сравнению со сферами эк­ вивалентного радиуса Сондерс [501] выполнил экспериментальное

77

Исследования показали, что у не зависит от напряженности поля при постоянном s/гзкв и не зависит от 5/гЭКв при постоянной напряженности поля. Оказалось, что для конфигураций 1. и 3 у равно 5—6. Конфигурация 2 также приводит к увеличению силы взаимодействия: у ^ 2 , тогда как конфигурация 4, 5, б и 7 умень­ шают силу взаимодействия до у «0,5. Таким образом, при опреде­ ленных положениях ледяных кристаллов игольчатой и пластинча­ той форм сила взаимодействия может значительно превышать силу взаимодействия капель той же массы.

На основании данных В. М. Мучника и др. [138] о влиянии электрического поля на ориентацию частиц продолговатой формы можно сделать заключение о том, что какая-то часть ледяных ча,- стиц с соответствующими напряженности поля в грозовых обла­ ках значениями k расположится вдоль направления поля. Если напряженность вертикального поля будет значительно превышать напряженность горизонтального поля, то частицы расположатся своей длинной осью вертикально. Такие частицы имеют значи­ тельно большую скорость падения, чем те, у которых ось распола­ гается горизонтально (Джаяратне и Мейсон [349], В. А. Дячук [45]). При этом вероятность соударения частиц и образования аг­ регатов Т-образной формы значительно увеличится (Смит-Иогап- сен [527]). Таким образом, электрическое поле, изменяя ориента­ цию ледяных частиц в грозовых облаках, может сильно влиять на аэродинамические условия их соударения и образования агре­ гатов.

1.9. МИКРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ РОСТЕ КРУПЫ И ГРАДА

Зародышем крупы может быть, по-видимому, любой кристалл льда независимо от его природы, образовавшийся или занесенный в вершину кучево-дождевого облака. Соударения кристалла как с сильно переохлажденными капельками, так и с другими кристал­ лами могут привести к образованию частицы только малой плот­ ности, что характерно для крупы. При небольших скоростях паде­ ния растущей частицы и низкой температуре замерзание переох­ лажденных капелек будет происходить весьма быстро, так что они должны слабо расплываться. Браунскомб и Халлет [251] полу­ чили, что при скоростях соударения, близких к конечным, капельки при замерзании остаются сферическими. С увеличением размеров и скорости соударения и с повышением температуры деформация капелек увеличивается (деформация определяется как отношение радиуса расплывшейся по поверхности льда капельки к ее на­ чальному радиусу). Исследования строения отложений льда пока­ зали, что при низких температурах переохлаждения и малых ско­ ростях соударения плотность «упаковки» замерзших капелек мала [407 и др.]. При температуре —16,5° С и скорости соударения 2 м/с плотность льда оказалась равной 280 кг/м3, тогда как при —4° С и 11,4 м/с плотность льда 890 кг/м3.

78

Как следует из экспериментов Т. Г. Габарашвили и др. [25], на степень деформации переохлажденных капель на поверхности льда и на скорость их кристаллизации оказывает сильное влияние электрическое поле. Крупные капли при температуре —16° С сбра­ сывались с расстояния в несколько сантиметров на электрод, по-

Рис. 26. Деформация при соударении крупных капель с поверх­ ностью льда в электрическом поле. Температура переохлажде­ ния — 16° С. По Т. Г. Габарашвили и др. [25].

а) s= 8,9 -іо-3, и=3000 В; б) 5=2,9 • ІО-3, и=6000 В; в) 5=4,6-10-', о=0.

крытый льдом. Для оценки величины деформации был введен па­ раметр s, равный отношению площади соприкосновения капли со льдом к площади ее соприкосновения с воздухом. Как видно из рис. 26, деформация капель в электрическом поле весьма интен­ сивная, что должно оказывать значительное влияние на плотность «упаковки» капелек при их намерзании.

Если зародыш имеет игольчатую или пластинчатую форму, то на условия его роста и превращения в крупу могут оказать суще­ ственное влияние разные случайные причины. Так, достаточно на их поверхность попасть сравнительно крупной капельке, чтобы

79

изменились их ориентация и аэродинамические условия захвата капелек и ледяных кристаллов [531]. Резкие колебания напряжен­ ности поля при грозовых разрядах тоже будут случайным образом влиять на ориентацию таких ледяных зародышей при падении [138]. Вместе с тем всякое нарушение правильности формы, появ­ ление выступов на поверхности падающих тел, приводит к значи­ тельному увеличению коэффициента захвата и более быстрому росту этого выступа [358, 408]. Если направление выступа совпа­ дает с направлением поля, то на его конце происходит весьма большое усиление поля, что также должно привести к увеличению коэффициента захвата.

Снежная крупа обычно имеет сферическую или коническую форму и диаметр от 2 до 5 мм с максимумом 10 мм [53]. Иногда наблюдается снежный град размером более 10 мм. Плотность крупы, по измерениям у поверхности земли, находится в основном в пределах 100—200 кг/м3 [53], в среднем она равна 120 кг/м3 [453]. По данным [425], плотность конической крупы в Японии из­ меняется от 300 до 500 кг/м3, составляя в среднем 396 кг/м3. Крупа чаще всего наблюдается у поверхности земли при температурах, близких к 0°С, а в высоких горах — при температурах, как пра­ вило, не ниже —10° С в основании облаков [257].

При дальнейшем росте крупа превращается в град. Условиями, благоприятными для образования града, являются большая вод­ ность, более высокая температура воздуха и большая скорость падения крупы. При определенном сочетании этих параметров тепло, выделяющееся при замерзании капелек, не успевает освобо­ диться с поверхности градин, и их замерзание будет частичным. В результате часть воды сохранится в жидком состоянии и запол­ нит поры, образуя так называемый губчатый лед [399]. По запол­ нении пор избыточная вода будет срываться с градии потоком воз­ духа. Зародышами градин могут служить и крупные капли, поднятые восходящими токами до такой высоты, где они замер­ зают. Многочисленные наблюдения показывают, что сердцевина градин состоит как из снежной крупы, так и из замерзших капель. Ч. Найт и Н. Найт [364] из рассмотрения 400 градин получили, что 60% зародышей имели коническую форму (крупа), 25% зароды­ шей были сферическими и прозрачными (капли), 10% — сфериче­ скими и губчатыми (крупа или капли).

Для роста градин весьма большое значение должны иметь не­ однородности на их поверхности. Браунскомб и Халлет [251]

то при образовании выступа радиусом 50 мкм с &«5 происходит увеличение Е примерно до 0,9. Естественно, что подобный выступ будет расти быстрее, чем остальная часть сферической частицы. Кайдер и Карт [358], Маклин и Бейли [408] получили подтвержде­ ние существования усиленного роста выступа в экспериментах с искусственными градинами. К таким же представлениям пришли

80

Ч. Найт и Н. Найт [365] на основании данных о «долевом» строе­ нии естественных градин. Они указывают, что эти «дольки» имеют однородное строение и форму рогов, наблюдаемых на замерзаю­ щих каплях.

Если выступ на градине будет совпадать с направлением элек­ трического поля, то должно усилиться оседание капелек на нем. Чем больше выступ по сравнению с градиной, тем интенсивнее коагуляция капелек под действием аэродинамических и электри­ ческих сил. Рост выступа на градине приобретает черты процесса с обратной связью, т. е. должен происходить со все большей ско­ ростью. Изучение структуры градин привело Браунинга [248] и др. к выводу, что градины «кувыркаются» при падении, причем срав­ нительно быстро. Поэтому должен происходить ускоренный рост выступов в результате как аэродинамических, так и электрических сил.

Уже давно было обнаружено, что градины имеют слоистую структуру, заключающуюся в чередовании слоев прозрачного и мутного льда. Как правило, обнаруживается всего несколько та­ ких слоев. Например, на Северном Кавказе градины диаметром 1—2 см обычно состоят из трех слоев мутного и прозрачного льда

туру градин. Большинство авторов считало, что причиной слоис­ тости градин являются повторные подъемы градин восходящими токами. Однако нет достаточных оснований считать, что в грозо­ вых облаках существуют условия для многократного подъема гра­ дин. Были выдвинуты предположения о том, что причиной слоис­ тости градин следует считать мелкомасштабное неоднородное распределение водности в кучево-дождевых облаках [48]. Но мно­ гочисленные исследования [399, 408, 251 и др.] показали, что на структуру слоев льда в градинах оказывает большое влияние не только водность, но и микроструктура и термодинамические усло­ вия в облаках.

Обычно при рассмотрении причин образования многослойных градин совершенно не учитывается влияние электрического поля, которое может быть определяющим в отношении структуры слоя. В. М. Мучник1 высказал предположение, что так как скорость коагуляции переохлажденных облачных капелек и ледяных кри­ сталлов на градине зависит от электрического поля, то строение слоев будет различным до и после грозовых разрядов. В сильных электрических полях будет наблюдаться усиление коагуляции ка­ пелек. Часть воды будет оставаться в жидком виде, что харак­ терно для образования прозрачного льда, особенно при сравни­ тельно небольшом переохлаждении капелек. При низких темпера­

капелек под действием сильного поля будет приводить к оседанию матовых слоев с большим содержанием пузырьков воздуха.

Плотность градин зависит от условий их роста и может изме­ няться в широких пределах. Измерения, выполненные в Канаде, показали, что плотность градин находится в пределах 500—■ 900 кг/м3 [48]. Наиболее полные данные о плотности градин были получены Виттори и Капориаччо [555, 556] в Италии. Они полу­ чили, что градины имеют плотность, которая в основном лежит

впределах 800—910 кг/м3 независимо от их размеров. Высокая плотность градин часто обусловливается тем, что они состоят из губчатого льда, насыщенного водой. Наблюдения в Кении и США показали, что в 90% случаев в градинах содержится меньше 4% воды в жидком виде с максимумом 11—16% [310]. По измерениям

вВосточной Грузии, содержание жидкой воды в градинах может быть весьма большим — до 46% по объему [114].

Форма градин может быть самой разнообразной, но большин­ ство из них имеет форму, близкую к сферической. С увеличением размеров чаще встречаются градины особых форм: конические, сплющенные н вообще неправильной формы. Во Франции около 10% всех градин с размерами более 2 см имеет особые формы [48]. Разнообразие форм градин указывает на существование больших различии в условиях их образования в кучево-дождевых облаках. Известны попытки объяснить образование сплющенных градин аэродинамическими условиями их таяния; это объяснение полу­ чило экспериментальное подтверждение [31].

размерам для Кавказа, Англии и Канады показали, что сущест­ вуют как одновершинные, так и двухвершинные спектры, которые с хорошим приближением аппроксимируются гамма-функциями, причем двухвершинные — суммой гамма-функций. Обычно макси­ мальные размеры градин лежат в пределах 2—5 см, однако име­ ются сообщения о случаях выпадения градин диаметром больше 10 см. Максимальные размеры градин на Северном Кавказе до­ стигали 9 см [197], а в Карпатах 10 см [152]. На Украине наблю­ дались градины весом до 0,5 кг [84].

М. Т. Абшаев [1] по данным о спектре размеров крупы и града в горных районах Кавказа пришел к выводу, что концентрация крупы колеблется от 50 до 500 м-3, а града — от 5 до 22 м-3. Он подсчитал, что «градовая водность» составляет (2-ъ7) • 10-3 кг/м3.

От размеров, формы и плотности градин зависит их скорость падения. Билхем и Рельф [233] определили установившуюся ско­ рость падения сферической градины, приравняв ее вес сопротив­ лению воздуха по закону Ньютона:

(36)

где рг и рв— плотность градии и воздуха соответственно; R — ра-

82

диус градины; с — коэффициент сопротивления воздуха; g — уско­ рение силы тяжести.

Для рг=900 кг/м3 и рв=1,28 кг/м3 с достаточной точностью

соответствующие значения, известные для некоторых тел правиль­ ной формы. Для вытянутого эллипсоида вращения это значение

равно у а (а — полуось, вокруг которой производится вращение),

для конуса и диска — соответственно h/3 и h (h — высота).

Для крупных градин, падающих с большой скоростью, может наблюдаться большое различие между температурой внутри гра­ дин и температурой окружающей атмосферы. Согласно вычисле­ ниям, градина радиусом 1 см, падающая со скоростью около 20 м/с, может иметь температуру на 12°С ниже температуры ок­ ружающего воздуха. Женев [48] упоминает случай, когда градина имела внутри температуру —10° С. На Кавказе в большинстве случаев температура градин близка к 0°С, но в отдельных слу­ чаях достигает —5, —6° С [174].

1.10. РАЗРУШЕНИЕ КАПЕЛЬ И СРЫВАНИЕ ВОДЫ С ГРАДИН

До сих пор мы рассматривали процессы, обусловливающие рост частиц в кучево-дождевых облаках. Существует необходи­ мость и в рассмотрении процессов разрушения гидрометеоров. Эти процессы существенны не только вследствие того, что они ради­ кальным образом изменяют спектр распределения гидрометеоров в кучево-дождевых облаках, но и потому, что они обусловливают основные механизмы электризации в них. В кучево-дождевых об­ лаках может осуществляться, по-видимому, большое число разно­ образных процессов разрушения жидких и твердых гидрометео­ ров: самопроизвольное разрушение крупных капель, их разруше­ ние при соударении друг с другом и с градинами, разрушение капель, срывающихся с тающих градин, самопроизвольное раз­ рушение хлопьев снега под действием турбулентности, разруше­ ние ледяных частиц при соударении друг с другом. Разрушение капель при замерзании уже было рассмотрено в разделе 1.6.4. Разрушение ледяных частиц при соударении друг с другом и под действием турбулентности совершенно не исследовано. Поэтому дальнейшему разбору будут подвергнуты только процессы, при которых происходит разрушение жидких капель.

1.10.1. Спонтанное разрушение капель при падении

Разрушение капель при падении впервые было исследовано Ленардом [392]. Он установил, что существует некоторый крити­ ческий размер, когда они становятся неустойчивыми и разруша­ ются. Ленард обнаружил, что капли диаметром 5,4 мм почти

мгновенно разрушались, как только их вбрасывали в вертикаль­ ную воздушную струю. Степень разрушения также была неодина­ ковой и носила случайный характер. В большинстве своем круп­ ные капли разрушались на одну-две большие капли (диаметром 1,5—3,5 мм) и значительное количество более мелких капель (диа­ метром меньше 1 мм). Но в ряде случаев визуально наблюдалось как бы кольцеобразное разрушение капель, когда они распадались на семь—девять капель примерно одинакового размера, разлетаю­ щихся радиально. Ленард обнаружил, что разрушению капель предшествовало их сплющивание.

Рис. 27. Скоростная съемка (около 100 кадров/с) динамики грибо­ образного разрушения крупной водяной капли в вертикальной струе воздуха. По Гохшвендеру (см. в [394]).

Гохшвендер (см. в [394]), применив скоростную съемку, полу­ чил возможность проследить динамику разрушения крупных ка­ пель (рис. 27). На рисунке видно, что вначале капля сплющива­ ется снизу, а затем воздух врывается в каплю и растягивает ее поверхность таким образом, что образуется нечто вроде сфериче­ ской шляпки гриба. У «гриба» нижние края утолщены, а вверху образуется тонкая пленка пузыря, которая растягивается под дей­ ствием давления воздуха. Размеры «гриба» перед моментом раз­ рушения в несколько раз превышают эффективные размеры капли. Метьюс и Мейсон [436] получили, что некоторые капли с эквива­ лентным диаметром 15 мм увеличивались перед грибообразным разрушением до 50 мм, а Котон и Гокхейль [272] обнаружили, что капля диаметром 8,8 мм перед разрушением увеличила свой размер до 25 мм. При разрушении из пленки образуется огромное коли­ чество мельчайших капелек, в том числе размеров тяжелых ионов (ІО-7— ІО-8 м) [124]. В. И. Арабаджи [7] получил, что при нало­ жении на объем, где происходило разрушение капель, поля напря­ женностью около 1 • ІО5 В/м не происходило каких-либо изменений в интенсивности разрушения по сравнению с опытами без поля.

84

Исследования разрушения капель в вертикальных струях воз­ духа имеют свои специфические особенности, присущие в первую очередь ранним работам: большая турбулентность воздуха и зна­ чительные градиенты скорости воздуха как по горизонтали, так и по вертикали. Поэтому представляют значительный интерес иссле­ дования разрушения капель при падении с большой высоты, как правило, в спокойном воздухе. Мейсон [115] упоминает об экспе­ риментах Девиса, который сбрасывал капли дистиллированной воды с высоты 9—12 м в спокойном воздухе. Высота падения около 9 м оказалась достаточной для разрушения капель диамет­ ром больше 12,6 мм, а высота 12 м — для разрушения капель диа­ метром 10,8 мм. При этом разрушение наступало на последнем трехметровом участке пути падения капель. Меррингтон и Ри­ чардсон [441] продолжали эксперименты Девиса и для высот 15 и 38 м получили критический диаметр капель, равный 10 мм. Фур­ нье д’Альб и Хидаетула [191, 300а] исследовали разрушение ка­ пель, сбрасываемых с разных высот до 20 м. В этих условиях раз­ рушались только крупные капли, размером от 8,5 до 12,5 мм. Количество фрагментов находилось в пределах от 3 до 97. Боль­ шая часть фрагментов имела размеры 2—3 мм и только несколько из них 6—8 мм. При исследованиях разрушения капель в верти­ кальной струе Кениг [367] обнаружил, что из одной крупной капли

Бланшар [235], создав с помощью воронки поток с меняющейся вертикальной скоростью, мог удерживать капли в струе многие минуты. Это позволяло получать сведения о поведении капель при падении, в частности зависимость величины осей сплющенной капли от ее эффективного диаметра. С увеличением размеров ка­ пель быстро растет большая, горизонтальная ось капель. Для капли диаметром 9 мм большая ось почти удваивается, достигая 17 мм. Бланшар также обнаружил, что устойчивость капель зави­ сит от направления ускорения потока. Если ускорение направлено вверх, то вероятность разрушения капель увеличивается, если же направлено вниз, то она уменьшается — устойчивость капель воз­ растает.

Котон и Гокхейл [272] несколько видоизменили метод взвеши­ вания крупных капель в вертикальном потоке воздуха, разрабо­

струе, в которой отсутствует интенсивная турбулентность, выпол­ ненные Танака [546], показали, что капли диаметром около 7 мм имеют склонность дробиться на две сравнительно крупные капли и несколько более мелких. Перед разрушением наблюдается до­ вольно сильная осцилляция капель.

85

Если при слиянии образуется капля размером, превышающим критический, то вслед за слиянием наступает разрушение вновь

•образовавшейся капли. Слияние капель диаметром 5,5—10 мм и их последующее разрушение наблюдал Бланшар [235] в верти­ кальной струе воздуха. Если меньшая капля попадала в след большой капли, то она увеличивала скорость своего падения, до­ гоняла большую каплю и соединялась с ней. Немедленно вслед за этим происходило разрушение на довольно большие фрагменты миллиметровых размеров.

Ганн [328] обнаружил, что при центральном соударении двух капель радиусом 2 и 2,5 мм с относительной скоростью 3,4 м/с происходило их слияние и образование диска с утолщенными кра­ ями и множеством отростков. Диаметр диска в 5—6 раз больше диаметра исходных капель. Из краев вырывались многочисленные капельки весьма малых размеров. Одновременно происходило утолщение краев и уменьшение размеров диска. В некоторый мо­ мент диск взрывался с образованием значительного числа капель. При увеличении скорости соударения до 4,5 м/с диаметр диска увеличивался в 8—10 раз по сравнению с диаметром исходных капель. При нецентральных соударениях диск имел вытянутую форму.

Механизм слияния крупных капель, диаметром 3,5—9 мм, с по­ следующим разрушением результирующей капли в вертикальной воздушной струе исследовался также Котоном и Гокхейлем [272]. При кильватерном следовании малой капли за большой происхо­ дило их слияние с последующим разрушением почти в 60% случаев. Было обнаружено два основных типа разрушения объединенной капли: гантеле- и грибообразный. В первом случае капля некото­ рое время осциллирует, а затем разрушается на 2—10 капель миллиметровых размеров. Во втором случае разрушение происхо­ дит так же, как при грибообразном разрушении одной крупной капли в турбулентном потоке. Но, кроме этих двух основных ти­ пов разрушения, был обнаружен еще ряд промежуточных типов, имеющих черты как гантелеобразного, так и грибообразного типа. В этих случаях образуется до 15 капель миллиметровых размеров. На рис. 28 представлен случай кильватерного слияния капель диа­ метром 6 и 7,5 мм, причем немедленно после слияния произошло разрушение результирующей капли на меньшие капли, располо­ жившиеся в виде дуги. Исследования Магарвея и Гелдарта [412] показали, что при слиянии крупных капель разных размеров также может происходить их разрушение на большое число фраг­ ментов. Если капли диаметром 4 мм и больше соударяются с кап­ лями диаметром 2 мм и больше, то вероятность разрушения со­ ставляет 20—40% от числа соударений.

Так как соударение больших капель — явление сравнительно редкое, то представляют интерес эксперименты Адама и др. [210] по соударению капель радиусом 60 и 300 мкм с последующим их разрушением. Капли, создававшиеся двумя одинаковыми генера­ торами, соударялись друг с другом с определенной скоростью. Для

■86