1.6.3. Влияние электрических сил на кристаллизацию переохлажденных капель

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

Первые исследования влияния электрического поля на замерзание переохлажденных капель воды были выполнены еще в 1861 г. Дюфо, который обнаружил положительный эффект. Он помещал каплю дистиллированной воды в смесь масел и хлороформа таким образом, чтобы плотность смеси была равна плотности воды. При разрядах катушки Румкорфа через каплю происходило ее внезапное замерзание. Но Дюфо считал, что причиной замерзания является действие не электрических сил, а механических.

Начиная с 50-х годов нашего столетия был выполнен ряд исследований в этом направлении, которые, однако, не позволяют в достаточной степени прояснить сущность вопроса, так как результаты экспериментов не являются однозначными. Так, Pay [478] помещал капли переохлажденной воды на полированную хромированную подложку при температурах от —4 до —7° С. Когда создавалось поле напряженностью и возникал искровой разряд, происходило замерзание капель. пытался объяснить действие электрического поля его ориентирующим влиянием 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 положительный эффект. Однако, когда подобные опыты были повторены в облаке переохлажденных капелек, находящихся в холодильной камере, кристаллизация не наступила.

Солт [493] помещал капли объемом находящиеся на алюминиевой подложке, в холодильную камеру. При отсутствии электрического поля кристаллизация капель наступала при температурах не выше —10° С. При включении переменного поля с частотой 60 Гц и напряженностью до температура кристаллизации повышалась до —6° С. Солт, так же как и Pay, пытался объяснить действие электрического поля ориентацией молекул воды. Бланшар [238], возражая Солту, считает, что причиной влияния электрического поля является образование при разрядах загрязнений в воздухе, окружающем каплю. Электрическое поле способствует также увеличению скорости попадания активных ядер кристаллизации на поверхность капли.

В опытах Бхадра [231] капли диаметром 1,7-2,5 мм помещались между металлическими дисками в поле напряженностью Бхадр получил результаты, противоположные приведенным 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. Действительно, попытки В.М. Мучника и Ю. С. Рудько вызвать замерзание

переохлажденных капель диаметром около подвешенных на термопаре, электрическим полем напряженностью до не увенчались успехом. Лишь в отдельных случаях при температурах переохлаждения ниже —6° С включение поля приводило к внезапной кристаллизации капель.

Так как существовала неясность относительно причин, вызывающих 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 упомянутые выше эксперименты для того, чтобы убедиться в их достоверности. Так, он помещал капли дистиллированной деионизированной воды на подложку из полиэтилена. Капли, переохлажденные до —5, —7° С, при приближении к ним заряженного трением стержня из тефлона и при проскакивании искры замерзали. Такой же эффект наблюдался в поле катушки Тесла, создающей колебания частотой и напряжением , 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 деионизированной воды в трубки из полиэтилена, плексигласа, полихлорвинила 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 отсутствии электрического поля капли во всех опытах замерзали при температурах ниже —10° С. В электрическом поле напряженностью выше появлялась некоторая вероятность замерзания капель, находящихся в трубках с воздухом, при температуре —4° вероятность достигала 100% при напряженности поля Замерзание всегда начиналось на границе трех фаз: вода—воздух—пластик. Интересно, что веточки дендритов, прорастающих при кристаллизации, ориентировались в направлении поля. Такое же влияние, как и постоянное поле, оказывало переменное поле в пределах от 60 Гц до 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. Вместе с тем в трубочках, целиком наполненных водой, замерзание не наступало даже при температуре —15° С и напряженности поля Если же в воде оказывался пузырек воздуха или капелька масла, то замерзание наступало при —4° С.

На основании описанных экспериментов Пруппахер пришел к выводу, что влияние электрического поля на кристаллизацию воды существует, но оно не обусловливается ориентацией молекул и частицами, которые образуются в результате разряда.

Кристаллизация 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 условием проявления влияния электрического поля на кристаллизацию воды присутствие твердого тела. Механизм этого влияния заключается, согласно Пруппахеру, в том, что под действием больших зарядов, которые образуются на поверхности твердого тела при разрыве поверхности жидкости, в ней возникают комплексы молекул, соответствующие строению льда и играющие роль ядер кристаллизации.

Подтверждение представлений Пруппахера [475] получили Т. Г. Габарашвили и Н. В. Глики [26]. В верхнюю часть вертикальной плоской кюветы с водой, переохлажденной до —3° С, они опускали кристаллы холестерина и нафталина. Первое вещество является кристаллизирующим реагентом, повышающим температуру замерзания воды, тогда как второе таковым не является. При опускании незаряженного кристалла нафталина при —3° С кристаллизация воды не наблюдалась. Если на кристалл подавался потенциал —3000 В, то кристаллизация начиналась на его поверхности и распространялась в глубь воды. При потенциале +3000 В кристаллизация не наблюдалась. Неразряженный кристалл холестерина вызывал кристаллизацию при —3° С, а при потенциале —3000 В уже при Потенциал 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 приводят к возникновению льдоподобных структурных образований, которые вызывают кристаллизацию воды. При этом отрицательное поле способствует возникновению водородных связей между молекулами и образованию льдообразных молекулярных комплексов, тогда как положительное поле разрушает водородные связи и противодействует образованию таких комплексов.

Результаты экспериментальных исследований Рулло [490] с каплями дистиллированной воды диаметром 0,5 мм, находящимися на поверхности стеклянной пластинки, погруженной в силиконовое масло, в электрическом поле напряженностью от до не противоречат представлениям Пруппахера. Рулло обнаружил, что с повышением напряженности поля температура замерзания капель повышается. Однако из опытов с туманом, образовавшимся в камере при адиабатическом расширении, было получено, что при повышении напряженности поля от до также наблюдалось увеличение вероятности замерзания капелек, которое определялось по числу образовавшихся и выпавших ледяных кристаллов. В этом случае замерзание капелек происходило без соприкосновения воды с твердым телом.

В какой-то степени подтверждением представлений Пруппахера [475] о необходимости присутствия всех трех фаз для вызывания кристаллизации капель при разрушении в электрическом поле

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] и 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 изолятора в холодильной камере, при воздействии на них электрическим 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 кристаллизацией 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 электрическом поле, не достигающем критических значений, или при интенсивном механическом встряхивании при температурах переохлаждения —5, —10, —15 и —20° С равна: 0; 0,02; 0,07 и 0,18 соответственно. Если же капли подвергались разрушению электрическим полем или их поверхность разрушалась с помощью изолированной 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. Следовательно, для одной и той же температуры переохлаждения вероятность замерзания капель данных размеров наибольшая при разрушении силами электрического поля, несколько меньше при разрушении механическими силами и сравнительно мала при отсутствии разрушения поверхности капель или образования водяных нитей.

В дополнение к описанным опытам следует упомянуть об экспериментах Кенига [367]. Он разрушал переохлажденные капли диаметром около 3 мм, подвешенные на петельке, струйкой воздуха таким образом, чтобы имитировать грибообразное разрушение. В результате при температурах переохлаждения от —6 до —15° С в камере наблюдалось появление ледяных кристаллов. В этом случае в верхней части «гриба» образуется тончайшая водяная пленка, в несколько десятков молекулярных слоев, при разрушении которой образуются водяные нити.

Для объяснения результатов своих экспериментов Аббас и Лезем [209] привлекают представление Леба [400] о роли тонких переохлажденных водяных нитей в образовании ядер кристаллизации. Леб указывает, что, когда образуются из полярных молекул агрегаты, размеры которых порядка поверхностное натяжение уже не в состоянии придать агрегату капельную форму. Агрегаты в этом случае приобретают форму мельчайших кристаллитов.

Заряженный кристаллит имеет соответственно ориентированное поле, которое влияет на эффективные водородные связи, и будет действовать как ядро кристаллизации. Поэюму появление тонких нитей переохлажденной воды в электрическом поле способствует образованию заряженных кристаллитов и увеличивает вероятность замерзания капель. Возможно, что кристаллиты появляются и при разрушении тонких водяных пленок, как это происходит при грибообразном разрушении капель.

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

Рис. 20. Гантелеобразные замерзшие капельки. По Лезему [377]. а — в облаках над Карибским морем при температуре около —5° С, согласно Ми (одно маленькое деление соответствует в электрическом поле в лабораторных условиях, согласно Смиту.

В подтверждение Лезем приводит частное сообщение Смита об опытах по взаимодействию переохлажденных капель, падающих в электрическом поле; в этих опытах капли замерзали с образованием перемычки между ними (рис.20). На рис. 20 приведены фотографии таких же замерзших капель, которые наблюдал в облаках Ми при температурах выше —5° С [377].

Аббас и Лезем [209] выполнили опыты по замерзанию капель с различным содержанием растворимых газов. Они установили, что вероятность замерзания капель, разрушаемых электрическим полем и насыщенных хорошо растворимыми газами выше, чем капель, находящихся в равновесии с воздухом, и значительно выше, чем капель, не находящихся под воздействием поля.

Несмотря на значительные различия результатов экспериментальных исследований действия электрических сил на кристаллизацию переохлажденных капель, можно считать, что такое влияние существует. Но есть еще необходимость в проведении дальнейших исследований.