6.2. Процеси укрупнення хмарних елементів

Швидкість падіння хмарних елементів. Хмари, які тільки-тільки утворилися, складаються із найдрібніших елементів. Завдяки опору повітря і висхідним потокам у хмарах і підхмарному шарі атмосфери вони утримуються у зваженому стані, а тому опадів не дають. Для того, щоби хмарні елементи перетворилися на опади, вони мають значно збільшитися у вазі і розмірах. Тільки тоді швидкість їх падіння перевищить швидкість висхідних потоків повітря і, падаючи вниз, вони не встигнуть випаруватися раніше, ніж досягнуть рівня землі.

Частина опадів, які розпочали випадати із хмар, випаровується, не досягнувши поверхні землі. Такі опади утворюють під хмарою характерні смуги падіння (virga), іноді достатньо чітко виражені.

Під впливом сили ваги, яка при усталеному русі урівноважується силою опору повітря, для хмарних елементів різної ваги і розмірів встановлюється різна швидкість вертикального руху. Швидкість падіння найдрібніших крапель радіусом до 0,05 мм із задовільною точністю можна обчислити за допомогою формули Стокса ²²:

,

(6.1)

де  – швидкість падіння краплі, що встановилася, см/с;  – густина краплі;  – динамічний коефіцієнт молекулярної в'язкості повітря;  – радіус крапель, см.

Для більших крапель залежність швидкості падіння від радіусу має уже інший вигляд, тому що такі краплі зазнають більший опір повітря. Швидкість падіння крапель радіусом більше 0,5 мм описується емпіричною формулою

.

(6.2)

Загальний характер залежності усталеної швидкості падіння краплі від її розмірів представлено на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Залежність усталеної швидкості падіння краплі від її розмірів (діаметра еквівалентної сфери). За Ганном і Кінцером

Сніжинки падають із меншою швидкістю, ніж краплі такої ж маси, тому що, маючи велику поверхню, вони зазнають більшого опору повітря. Експериментальним шляхом встановлено, що швидкість падіння сніжинок коливається у межах від 0,1 до 1,0 см/с.

Таким чином, обов'язковою умовою випадання опадів із хмари є укрупнення хмарних елементів. Основними процесами, які спричиняють їх укрупнення, є конденсація (або сублімація) на них водяної пари і коагуляція, тобто злиття крапель або зчеплення кристалів при зіткненні.

Конденсаційний ріст хмарних елементів. На початковій стадії розвитку хмари хмарні елементи утворюються завдяки процесам конденсації.

В однорідних за розмірами крапель водяних хмарах конденсаційний ріст досить швидко відбувається тільки для крапель води радіусом менше 0,01 мм. Упродовж декількох секунд вони збільшуються у 2–3 рази, але подальший їх ріст різко сповільнюється. Для утворення крапель радіусом більше 0,1 мм при перенасиченні, яке найчастіше буває у хмарах, потрібні уже десятки годин. Упродовж такого тривалого часу не тільки змінюються усі фізичні умови всередині хмари, але й сама хмара може розсіятися. Тому діаметр водяних крапель, які утворюються в процесі конденсації, не перевищує 40–50 мкм. Такі краплі залишаються у зваженому стані і не призводять до виникнення опадів.

Значно швидше конденсаційний ріст відбувається у хмарах, складених водяними краплями різних розмірів. Це пояснюється різницею значень тиску насичення водяної пари над дрібними і великими краплями, спричиненою різною кривизною їх поверхні. У таких хмарах дрібні краплі випаровуються, але на більших краплях водяна пара конденсується, тобто відбувається перенесення водяної пари із найдрібніших крапель на крупні. Завдяки цим процесам упродовж декількох годин у хмарах утворюються порівняно дрібні краплі майже однакового розміру. Таким чином, в реальних умовах конденсаційний ріст ніколи не призводить до збільшення хмарних крапель до розміру дощових.

Сублімаційний ріст кристалів. У мішаних хмарах, які складаються із крапель та кристалів, різниця тиску насичення над кристалами і краплями більша, ніж над краплями різних розмірів у водяних хмарах. Водяна пара у таких хмарах близька до стану насичення відносно води і перенасичена відносно льодяної поверхні кристалів. Завдяки цьому перенесення водяної пари із крапель на кристали відбувається у декілька разів інтенсивніше, тобто відбувається сублімаційній ріст кристалів, який створює сприятливі умови для укрупнення елементів хмар та утворення опадів.

Сублімаційний ріст кристалів розвивається особливо інтенсивно при температурі повітря ‑12°C, коли різниця тиску насичення над переохолодженою водою та льодом найбільша. Наприклад, у щільних водяних хмарах одна льодяна частинка приблизно за 10 хвилин може поглинути усі рідкі крапельки, які містяться в 1 см³ хмари. Так можуть утворюватися дуже крупні кристали – сніжинки.

За інших від'ємних температур процес перенесення водяної пари із крапель на кристали відбувається дещо повільніше, але все одно спричиняє утворення великих сніжинок, які випадатимуть із хмар.

Коагуляційний ріст крапель. Коагуляція полягає в укрупненні хмарних крапель завдяки їх зіткненню і злиттю. Зі збільшенням розміру водяних крапель інтенсивність коагуляції зростає. Тим не менше, коагуляція у водяних хмарах може призводити до випадання з них тільки малозначних опадів.

Залежно від причин, які спричиняють укрупнення хмарних крапель, розрізняють турбулентну, броунівську, електростатичну та гравітаційну коагуляцію.

Турбулентна коагуляція відбувається унаслідок турбулентних рухів у повітрі. Броунівська коагуляція відбувається за ослабленої турбулентності атмосфери під впливом броунівського руху, а електростатична коагуляція – під дією електричних сил взаємодії. Завдяки трьом останнім видам коагуляції укрупнюються тільки найдрібніші елементи хмар (1–10 мкм), а тому вони не призводять до утворення опадів.

Визначальну роль в укрупненні елементів хмар та утворенні опадів відіграє гравітаційна коагуляція, яка відбувається при злитті крапель різного діаметра, що падають у полі ваги з різними швидкостями. При гравітаційній коагуляції більші краплі з відносно великими швидкостями падіння наздоганяють і захоплюють дрібніші краплі, які падають повільніше. Такий процес особливо важливий у потужних купчастих і купчасто-дощових хмарах, де висхідний потік повітря подовгу підтримує і дрібні, і великі краплі, заважаючи їх випадінню. Для окремих градин він може повторюватися багаторазово: після того як градина у процесі падіння потрапляє в область додатних температур, частково підтаює, потужні висхідні потоки можуть знову винести її вгору (шарувата структура великих градин незаперечно це підтверджує).

На роль сили тяжіння як головної причини зіткнення елементів хмар з подальшим їх злиттям та збільшенням до розмірів дощових крапель, вказував ще у 1904 році О.І. Воєйков. Процес гравітаційної коагуляції теоретично обґрунтував німецький фізик Фіндайзен у 1939 р., а в 1948 р. американський фізик Легмюр висунув теорію так званої "ланцюгової" реакції. Згідно із цією теорією, окремі краплі збільшуються внаслідок гравітаційної коагуляції, а досягнувши розмірів 2–3 мм, подрібнюються на 3–4 краплі меншого розміру, які в свою чергу збільшуються і знову діляться і т.д. Основним внеском Легмюра в теорію гравітаційної коагуляції вважається обчислення процесу обтікання великої краплі дрібнішими.

Одночасно із Легмюром вивченням гравітаційної коагуляції займався російський професор М.С. Шишкін. Він встановив залежність інтенсивності гравітаційної коагуляції у хмарах від висхідних рухів повітря та товщини хмар. Гравітаційна коагуляція, за М.С. Шишкіним, розпочинається при досягненні краплями радіусу близько 15 мкм і спочатку відбувається дуже повільно. Однак зі збільшенням розміру крапель швидкість коагуляції зростає і для крапель радіусом більше 30 мкм стає вже суттєвою. При товщині купчастих хмар 1–2 км і при інтенсивних висхідних течіях (до 10 м/с) гравітаційна коагуляція в утворенні опадів відіграє провідну роль.

Не всяке зіткнення падаючих крапель призводить до їх злиття. Часто крапельки відскакують одна від одної. Це пояснюється, як показав професор А. Аганін, тим, що між краплями, які стикаються, утворюється тонкий прошарок дещо ущільненого повітря, який протидіє злиттю. Крім того, на процес злиття крапельок впливає відносна вологість повітря, швидкість і напрямок зіткнення крапельок та інші чинники. Так, за даними російських фізиків Б.В. Дерягіна і П.С. Прохорова, при відносній вологості 100 % повітря не ущільнюється і практично усі крапельки при зіткненні зливаються.

Гравітаційна коагуляція відіграє важливу роль і в рості льодяних частинок, які зіштовхуються із краплями води і між собою. При зіткненні кристалів із краплями при від'ємній температурі відбувається їх обзернення – ріст кристалів за рахунок намерзання переохолоджених крапель. При сильному обзерненні сніжинки перетворюються на крупу (сферокристал). При додатних температурах кристали збільшуються за рахунок утворення на них водяної плівки. При цьому вони поступово перетворюються у краплі. Коагуляція сніжинок між собою призводить до утворення пластівців снігу.

Колоїдальна стійкість хмар. Будь-яку хмару можна представити як колоїдний розчин, в якому елементи хмар зважені у повітрі, яке відіграє роль розчинника. Якщо зважені частинки довго не випадають, то розчин вважається колоїдально-стійким. Якщо частинки укрупнюються і починають випадати у вигляді осаду, то розчин вважається колоїдально-нестійким.

Випадіння опадів із хмар залежить від ступеня їх колоїдальної стійкості, яка в свою чергу визначається характером елементів хмар та особливостями їх взаємодії. Однорідні хмари, які складаються тільки із крапельок або тільки із кристалів – колоїдально-стійкі. Такими є купчасті, літні висококупчасті, шарувато-купчасті і перисто-купчасті хмари. Хмари, які складаються з різних за фазовим станом або розмірами елементів, – колоїдально-нестійкі. До таких хмар відносяться шарувато-дощові і купчасто-дощові.