1.6.4. Особенности замерзания капель воды, вторичные ядра замерзания и влияние электрических сил на их эффективность

Рассмотрение некоторых аспектов образования дождя показало, что в облаках недостает ядер кристаллизации, необходимых для обеспечения наблюдаемых концентраций капель. Различие между числом наблюдаемых и требующихся ядер кристаллизации составляет по крайней мере два порядка величины. Вторичными ядрами кристаллизации могут быть осколки дендритных кристаллов, ледяные осколки, вырывающиеся из капель при их замерзании, и осколки «усиков», которые образуются при испарении частиц льда. Ледяные кристаллы, вступая в соприкосновение с переохлажденными каплями, вызывают их немедленное замерзание. Если коэффициент размножения ледяных кристаллов будет больше единицы, то можно ожидать распространения фронта кристаллизации на все облако.

Замерзание капель сопровождается разрушением поверхности, при котором из нее вырываются мельчайшие ледяные осколки, или разрушением капель на значительно более крупные осколки. Причинами деформации и разрушения замерзающих капель являются натяжение в ледяной оболочке и давление, развивающееся внутри капли. Замерзание переохлажденных капель всегда начинается с поверхности, за исключением тех случаев, когда переохлаждение происходит весьма медленно. Когда замерзание наступает при слабом переохлаждении капли, на ее поверхности появляется весьма тонкая ледяная стекловидная оболочка; она совершенно прозрачна и вследствие неравномерности кристаллизации подвержена интенсивной деформации (рис. 21 а). При сильном переохлаждении, например до —10° С, на поверхности капли образуется толстая ледяная оболочка.

Рис. 21. Деформация капель воды при замерзании. По В. М. Мучнику и Ю. С. Рудько [139].

Кристаллизация происходит настолько быстро, что заметная деформация поверхности не обнаруживается (рис. 21 ж). Оболочка становится матовой из-за быстрого выделения при замерзании абсорбированного водой воздуха, который в виде мельчайших пузырьков заполняет ледяную оболочку.

Если у капель с тонкой прозрачной оболочкой давление воздуха уменьшается вследствие деформации поверхности, то у капель 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». Иногда вода выбрасывается в виде струйки [81].

На поверхности замерзающих капель часто образуются всякого рода холмики, заострения и «рога» (рис. 21). А. Д. Малкина и Е. Г. Зак [112], Л. Г. Качурин и В. И. Бекряев [81], Мейсон и Мейбенк [431] считают, что рога состоят из кристаллизующейся воды, которая расширяется при замерзании. В. М. Мучник и Ю. 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 происходит дальнейшее выдавливание оболочки и образование рога (рис. 21 г). Часто происходит раздутие и прорыв воздуха в вершине рога (рис. 21 е). Таким образом, рога представляют собой трубочки, заполненные воздухом.

При замерзании капли часто взрываются, разлетаясь на отдельные части (рис. 21 а). По измерениям Висажи [554], в замерзающих каплях диаметром 7-10 мм развивается весьма большое давление, достигающее десятков бар. Согласно наблюдениям Мейсона и Мейбеика [431], Мучника и Рудько [139] и др., взрываются почти исключительно прозрачные капли.. Причина этого заключается в том. что матовый лед имеет губчатую структуру. Было обнаружено, что на частоту взрывания замерзающих капель оказывает сильное влияние присутствие углекислого газа и вентиляция. С увеличением концентрации углекислого газа частота взрывания замерзающих капель увеличивается, а с увеличением интенсивности вентиляции — уменьшается [42, 354].

Дей и Хоббс [287] обратили внимание на влияние условий теплового равновесия на частоту взрываний капель при замерзании. В случаях теплового равновесия капель с окружающей атмосферой 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 равновесия или при сильных переохлаждениях, наблюдалось взрывание капель. В опытах В. А. Дячука [42], в которых отсутствовали в масштабах капли градиенты температуры и вследствие вентиляции тепловое равновесие наступало весьма быстро, частота случаев взрывания капель была небольшой.

Бигг [232] исследовал образование осколков при замерзании капелек облачных размеров. Если замерзание капелек происходило при температуре около —30° С, то наиболее часто число осколков не превышало семи. Сравнительно редко встречались случаи, когда одна капелька давала более 10 осколков. Мейсон и Мейбенк [431] для капель радиусом 1000 мкм обнаружили довольно четкую зависимость образования ледяных осколков от температуры переохлаждения. Чем ниже эта температура, тем меньше среднее число осколков на одну каплю. Наблюдалась хорошо выраженная зависимость максимального числа осколков от деформации капель при замерзании. При отсутствии сильной деформации (образование рогов) максимальное число осколков на одну каплю составляло 10—20, а при образовании рогов оно увеличивалось на целый порядок — 150—200.

Результаты опытов Дея и Хоббса [287] оказались в противоречии с результатами, приведенными выше. При давлении воздуха из 48 капель только две дали осколки, хотя на значительной 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 частота образования осколков увеличилась: из 12 капель пять дали от одного до четырех осколков.

Ю. С. Рудько [162] измеряла разность времени замерзания одиночных капель и пар капель с момента их погружения в холодильную камеру. Если из поверхности капель вырываются осколки, то они должны служить вторичными ядрами кристаллизации. Вследствие 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 падающие капли дистиллированной воды радиусом 60-120 мкм, замерзающие при температуре переохлаждения —8, —12° С, отличающейся от температуры воздуха не более чем на 1° С, очень редко выбрасывают осколки. Вообще в пределах температур от —5 до —15° С частота разрушения капель, как правило, не превышает Капли больших размеров имеют несколько большую частоту разрушения.

Исследования образования ледяных осколков при соударении капель с поверхностью ледяной сферы диаметром 5,5 мм, помещенной 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 ледяного шара в воздухе с температурой —15° С образовывалось в среднем 12 ледяных осколков на одну каплю. Среднее число ледяных осколков для капель радиусом от 25 до 40 мкм остается почти постоянным и заметно уменьшается для капель радиусом меньше и больше 40 мкм. Повторяемость образования ледяных осколков при фиксированных температуре и размере капель имеет максимум для скорости потока 10 м/с, весьма быстро

уменьшается с уменьшением скорости и несколько более медленно при увеличении скорости до 30 м/с. Зависимость образования ледяных осколков от температуры весьма велика в пределах от —2 до —6° С, а затем до —17° С не наблюдается какого-либо изменения их числа.

Приведенные выше результаты исследований показывают, что существует весьма большая зависимость частоты взрывания замерзающих капель и выбрасывания ледяных осколков из их поверхности от условий опытов. Можно полагать, что в облаках частота взрывания и выбрасывания ледяных осколков из замерзающих капель должна быть небольшой.

Наблюдения за испарением частиц льда в ненасыщенной атмосфере показали, что при этом на их поверхностях образуются ледяные усики, которые являются единичными кристаллами. Диаметр усиков около 0,5 мкм, а их длина значительно превышает диаметр. Мичели и Лисенблат [442] и др. предположили, что при обламывании осколки ледяных усиков могут служить вторичными ядрами замерзания.

Как было показано выше, в сильных электрических полях вероятность замерзания капель несколько повышается. Тем самым увеличивается и вероятность образования осколков, а вместе с тем и концентрация вторичных ядер кристаллизации в облаке.

А. Д. Малкина и Е. Г. Зак [112] высказали соображение, что при взрывании замерзающих капель должны возникать электрические заряды. В дальнейшем этот эффект электризации был почти одновременно и независимо друг от друга исследован Л. Г. Качуриным и В. И. Бекряевым [81], Мейсоном и Мейбенком [431] и В. М. Мучником и Ю. С. Рудько Лезем и Мейсон [380, 381] показали, что и осколки, вырывающиеся из поверхности замерзающих капель, также имеют заряды. Мучник и Рудько установили, что при отрывании осколков от поверхности капель, замерзающих в электрическом поле, образуются заряды вследствие поляризации льда. При разрушении частиц льда (снежинок, веточек инея и т. п.) в электрическом поле и без него также происходит электризация фрагментов. Таким образом, ледяные осколки, образующиеся в облаках, оказываются заряженными.

Эффективность действия вторичных ядер кристаллизации, под которой здесь понимается вероятность их попадания на поверхность переохлажденных капель, будет зависеть от ряда причин, в том числе от зарядов ядер и электрического поля. Поэтому, если выполнить опыты, подобные проведенным Рудько [162], в электрическом поле, то следует ожидать увеличения вероятности кристаллизации пар капель по сравнению с таковой при отсутствии поля. Если действие электрического поля имеет место, то с увеличением напряженности должна уменьшаться разность времени между

моментами кристаллизации пары капель. В электрическом поле должно наблюдаться увеличение скорости движения ледяных частиц, что также должно привести к уменьшению разности времени между моментами кристаллизации пары капель. Сопоставление данных, полученных Рудько [162] для тех же температурных интервалов при отсутствии электрического поля, с данными табл. 11 выявляет их хорошую воспроизводимость. Рудько получила для интервалов —20, —25 и —25, —30° С соответственно 22,7 и 12,5 с.

Таблица 11 (см. скан) Зависимость средней разности времени кристаллизации пары капель (с), одновременно погружаемых в холодильную камеру, от напряженности поля.

По В. М. Мучнику и Ю. С. Рудько [141]

Как видно из табл. 11, с увеличением напряженности поля действительно происходит уменьшение разности времени между моментами кристаллизации для обоих температурных интервалов. По-видимому, значение 13,8 с для интервала температур —20, —25° С и напряженности поля является заниженным и, возможно, случайным, так как для интервала температур —25, —30° С закономерность хода данных не нарушается.