1.8. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛ НА КОАГУЛЯЦИОННЫЙ РОСТ И АГРЕГАЦИЮ ЛЕДЯНЫХ ЧАСТИЦ

Для образования гидрометеоров в грозовых облаках большое значение имеет коагуляционный рост ледяных частиц при их соударении с переохлажденными облачными капельками и агрегация ледяных частиц. Первый процесс иллюстрируется наблюдаемыми весной и осенью обзерненными снежинками, когда

переохлажденные капельки намерзают на них. Одним из основных результатов второго процесса являются хлопья снега.

На агрегацию ледяных кристаллов оказывают влияние гравитационные, аэродинамические и электрические силы. Под действием этих сил происходит соударение ледяных кристаллов. Причинами соединения кристаллов между собой, кроме механического сцепления, обязанного особенностям их конфигурации, являются адгезия и смерзание.

В разделе 1.3 при рассмотрении коагуляционного роста капель было показано, что электрические силы оказывают значительное влияние на скорость их роста. Причем это влияние тем больше, чем меньше относительная скорость падения капель. Характерными особенностями ледяных частиц игольчатой и пластинчатой форм являются их сравнительно малая скорость падения и узкий спектр скоростей. Вследствие этого относительная скорость падения таких ледяных частиц небольшая, и влияние электрических сил на их агрегацию должно быть большим.

Скорость падения ледяных кристаллов сравнительно невелика, поэтому время их взаимодействия с капельками облачных размеров будет большим, чем время взаимодействия капель той же массы. При совпадении направлений электрического поля и длинной оси на краях ледяных частиц игольчатой и пластинчатой форм значительно усиливается напряженность поля. Совместное влияние увеличения времени взаимодействия и усиления напряженности поля должно привести к увеличению скорости соударения.

В сильных вертикальных электрических полях грозовых облаков можно ожидать переориентацию длинной оси ледяных кристаллов игольчатой и пластинчатой форм с горизонтального положения на вертикальное. Действительно, по наблюдениям Воннегута [557], в кристаллических вершинах грозовых облаков возникают своеобразные оптические явления в виде световых полос, которые, вероятно, вызываются упорядоченным поворотом ледяных кристаллов под действием электрического поля. Мендез [440] исследовал интенсивность ортогонально поляризованных солнечных лучей, отраженных от кристаллической вершины грозовых облаков. Была обнаружена связь между интенсивностью отраженных лучей и моментами наступления грозовых разрядов, что можно объяснить изменением ориентации ледяных кристаллов под действием электрического поля до и после разрядов.

В. М. Мучник и др. [138] исследовали ориентацию ледяных кристаллов, имеющих форму вытянутых эллипсоидов вращения, в электрическом поле. Эллипсоид в электрическом поле имеет два положения равновесия, одно из которых является устойчивым (большая полуось параллельна направлению поля), а другое — неустойчивым (малая полуось параллельна направлению поля). Под влиянием аэродинамических сил эллипсоид имеет также два положения равновесия: устойчивое, когда большая ось перпендикулярна направлению движения эллипсоида, и неустойчивое, когда она параллельна движению эллипсоида. Вследствие этого в

вертикальном электрическом поле при падении вытянутого эллипсоида вращения механические моменты, обусловленные электрическими и аэродинамическими силами, имеют противоположные знаки. В то время как один из них будет приводить эллипсоид в состояние устойчивого равновесия, другой будет выводить его из этого состояния. Поэтому должно существовать какое-то вертикальное критическое поле, по достижении которого эллипсоид имеет тенденцию устанавливаться в направлении поля, т. е. вертикально.

Для получения значений критической напряженности поля было выполнено экспериментальное исследование на моделях. Струя воздуха, создаваемая вентилятором, поднимала вверх сделанную из алюминиевой фольги частицу толщиной 0,03 мм, шириной 1 мм и длиной от 5 до 25 мм. Следовательно, среднее значение находилось в пределах 50—250. При отсутствии электрического поля частицы сохраняли горизонтальное положение, совершая колебательное движение относительно него. При включении вертикального поля всегда можно было найти такое значение напряженности, при котором происходило изменение положения частицы с горизонтального на вертикальное. Из этих опытов было получено, что для Скорость падения частиц оказалась около 1,5 м/с. Эти данные получены для плотности воздуха у поверхности земли. С уменьшением плотности воздуха значение критической напряженности поля будет уменьшаться. Но вместе с уменьшением плотности воздуха будет увеличиваться конечная скорость падения частиц, что должно привести к некоторому увеличению критической напряженности. В результате будет происходить частичная компенсация этих влияний.

На основании рассмотренных выше предварительных экспериментов на моделях можно считать, что получено подтверждение предположения, что электрическое поле является причиной поворота ледяных кристаллов в вершинах грозовых облаков. Однако еще необходимо выполнить подобные исследования с ледяными кристаллами.

При повороте вытянутого эллипсоида в вертикальном электрическом поле от горизонтального положения к вертикальному сопротивление воздуха при падении уменьшается и конечная скорость падения частицы увеличивается. В. А. Дячук [45], фотографируя скоростной кинокамерой падение частицы игольчатой формы из металлизированного нейлона, определил, что увеличение скорости примерно на 50% происходит немедленно после поворота частицы. Очевидно, что конечная скорость падения частицы, ориентированной вертикально, будет еще в большей степени отличаться от ее скорости при падении в горизонтальном положении (Джаяратне и Мейсон [349]). Поворот частиц вдоль электрического поля имеет существенное значение, так как изменяются условия их сближения, соударения и контакта.

Таким образом, в вершинах грозовых облаков существуют условия для упорядоченного поворота ледяных кристаллов вдоль сил электрического поля. Поэтому должно всегда наблюдаться

усиление поля на конце ледяного кристалла и соответственное увеличение скорости коагуляции переохлажденных облачных капелек на нем. На конце частицы, направленном вниз, образуется утолщение, и она приобретет форму булавы, что приведет к стабилизации ее длинной оси в вертикальном направлении, даже в том случае, если напряженность поля резко уменьшится вследствие грозового разряда. Дальнейший рост такой частицы за счет соударения с переохлажденными облачными капельками и кристаллами приведет к образованию снежной и ледяной крупы.

В опытах с электроосаждением в переохлажденном тумане Завидский и Папи [589] обнаружили под микроскопом замерзание капелек на поверхности льда. В. М. Мучник и Ю. С. Рудько [140] при температурах не ниже —10° С наблюдали как в электрическом поле, так и без него оседание переохлажденных капелек на поверхности льда. При намерзании капелек образовывался сравнительно гладкий слой без особенно выдающихся выступов.

При температурах переохлаждения ниже —10° С замерзание капелек на поверхности ледяных кристаллов происходит весьма быстро. Капельки сильно деформируются и приобретают кристаллическое строение, часто превращаясь в монокристаллы (Н. В. Глики и др. [36] и др.).

В сильных электрических полях капельки, оседающие на поверхности частиц, приобретают вытянутую в направлении поля форму (Т. Г. Габарашвили и др. [25]). Это облегчает преобразование капель в монокристаллы и приводит к появлению на концах частиц кристаллических заострений, которые в свою очередь вызывают усиление поля на концах частиц и дальнейшее ускорение коагуляции.

Несмотря на существование определенной связи между температурой воздуха и формами ледяных кристаллов, есть основания полагать, что в вершинах кучево-дождевых облаков существует смесь кристаллов разных размеров и форм, в том числе игольчатых и пластинчатых. Электрическое поле может привести к увеличению коэффициента эффективности соударения ледяных кристаллов как вследствие увеличения сил притяжения между ними, так и в результате изменения аэродинамических условий падения частиц.

Из опытов В. М. Мучника и Ю. С. Рудько [140] следует, что электрическое поле оказывает сильное влияние на рост веточек инея на поверхности ледяной сферы за счет ледяных кристаллов. При температурах около —20° С, когда в камере с переохлажденным туманом было большое количество ледяных кристаллов, наблюдался интенсивный рост веточек инея при напряженности поля и выше (рис. 22). Основной рост происходил в направлении поля. При оседании на ледяной сфере кристалла происходит локальное усиление электрического поля, и ледяная частица, находящаяся вблизи, имеет больше шансов осесть на этот кристалл, чем на окружающую его поверхность сферы. Это подтверждается видом веточек инея на рис. 22. Они раздельно растут до

значительной длины. Такой вид коагуляции характерен для осаждения пылевых твердых частиц на проводящих телах в электрическом поле — так называемая направленная коагуляция.

Для оценки влияния электрического поля на коагуляцию рассмотрим сперва силы, которые действуют на капельку радиусом находящуюся вблизи проводящей сферы радиусом причем

Рис. 22. Образование инея на ледяных сферах в электрическом поле при температуре По В. М. Мучнику и Ю. С. Рудько а - 1) 0, 2) 3 мин 20 с, 3) 4 мин 20 с; б - 1) 1 мин, 2) 2 мин, 3) 3 мин (более интенсивное вдуваине влажного воздуха, чем в случае а).

Тогда напряженность в точке А, расположенной на расстоянии от центра сферы под углом 9 (угол между радиус-вектором этой точки и направлением поля), равна

где В о — напряженность внешнего однородного поля.

Капелька, находящаяся в точке А, будет иметь в поле сферы дипольный момент

Сила притяжения капельки к сфере равна

Подставляя (29) и (30) в (31), находим

В момент, предшествующий соприкосновению капельки со сферой принимает вид

Из выражений (32) и (33) следует, что сила притяжения капельки пропорциональна квадрату напряженности внешнего электрического поля, т. е. весьма быстро растет с увеличением напряженности. Однако она проявляется только на сравнительно близких к сфере расстояниях. Так как ледяная сфера является диэлектриком, то вместо выражения (29) необходимо воспользоваться выражением, учитывающим диэлектрическую проницаемость льда :

Если в постоянном электрическом поле при —20° С принять то вычисленное согласно (34), отличается от вычисленного по (29) всего на 3%. Таким образом, сделанные выше выводы для проводящей сферы (капли) вполне применимы для диэлектрической сферы (замерзшей капли).

Для качественной оценки усиления поля на конце веточки инея можно воспользоваться значениями максимальной напряженности поля на полюсе вытянутого эллипсоида (табл. 45). Представим веточку инея вытянутым эллипсоидом, прикасающимся одним полюсом к сфере. Приближенно можно не учитывать усиление поля, обусловленное влиянием сферы. Тогда на конце веточки инея с напряженность поля будет увеличена примерно в 50 раз. Аналогичную оценку можно выполнить также исходя из приближенной теории острия, находящегося на плоскости в однородном электрическом поле [186]. Если считать острие половиной эллипсоида с большой полуосью с и меньшей а, то максимальная напряженность электрического поля в вершине острия будет равна

Для отношения находим, что т. е. величина оказалась такой же, как полученная ранее.

Сомнительно, чтобы в облаках на сферических частицах типа крупы могли расти длинные веточки инея, так как их будет срывать поток воздуха. Для снежных кристаллов и хлопьев, которые отличаются малой скоростью падения, такое препятствие отсутствует, и поэтому их рост за счет направленной коагуляции может быть значительным.

Выполненное выше рассмотрение действия электрических сил является качественной оценкой, показывающей значение этих сил. Более точные расчеты для ледяных частиц самой разнообразной формы являются очень сложной задачей, и поэтому для получения более точных оценок был выполнен ряд экспериментальных исследований с моделями разной конфигурации. Кроме того, возможно,

что электрические силы воздействуют не только механически, но и как-то влияют на адгезию. Существование подобного влияния подтверждается экспериментами.

В опытах Лезема и Сондерса [386] ледяные кристаллы при контролируемых отрицательной температуре воздуха и скорости потока соударялись с ледяными шариками, неподвижно укрепленными в трубе. Один из них находился под действием поля. До напряженности поля не наблюдалось различия в приросте массы шариков. При более высоких напряженностях поля, в пределах от до обнаружилась линейная зависимость между массой ледяных кристаллов, отлагающихся на шарике, и напряженностью. Они наблюдали направленную коагуляцию, выражавшуюся в образовании длинных цепей из кристаллов.

В дальнейших опытах с той же установкой Сондерс [501] получил количественные зависимости прироста размеров ледяных сфер от напряженности поля и скорости потока (рис. 23). Как видно из этого рисунка, даже сравнительно небольшая напряженность поля, порядка дает небольшое увеличение прироста размеров сферы по сравнению с приростом сферы, не находящейся под действием поля. С увеличением скорости потока наблюдается уменьшение объемного прироста с некоторым, как указывает Сондерс, увеличением плотности осадка. При больших скоростях потока отсутствуют длинные веточки инея, которые, по-видимому, срываются потоком. Эти опыты выполнялись при сравнительно высокой температуре, —7° С. К сожалению, автор не приводит данных для более низких температур, хотя он сообщает, что опыты проводились до —37° С. Надо полагать, что с понижением температуры интенсивность агрегации ледяных кристаллов на сфере должна уменьшаться.

Подобного рода опыты, но в натурных условиях были выполнены Леземом [378]. Они проводились в Йеллоустонском парке (США) в зимнее время, когда облака, создаваемые гейзерами, были переохлажденными. При воздействии на эти облака кристаллизующими реагентами получали ледяные кристаллы у поверхности земли, которые соударялись с ледяными шариками, вращаемыми на коромысле. Один из шариков находился под действием электрического поля, другой, контрольный — вне поля. Начиная примерно с происходило значительное усиление роста ледяного шарика при соударениях с ледяными кристаллами. Это находится в согласии с данными лабораторных опытов В. М. Мучника и Ю. С. Рудько [140], Лезема и Сондерса [386] (рис. 24), Сондерса [501]. В опытах Лезема могло происходить одновременное соударение ледяных кристаллов и переохлажденных капелек с поверхностью шарика. При температуре —7° С капельки, растекаясь по поверхности льда, могли усилить адгезию ледяных кристаллов и увеличить скорость роста ледяного шарика.

Лезем и Сондерс [387] исследовали силы адгезии между двумя ледяными сферами равных размеров в зависимости от напряженности поля. Они получили, что с увеличением напряженности поля

(кликните для просмотра скана)

увеличивается сила адгезии. В частности, для разделения двух ледяных сфер радиусом 1,25 мм при температуре —15° С и относительной влажности 51% требовалась сила а в поле напряженностью потребовалось уже соответственно Авторы считают, что сила адгезии увеличивается за счет электростатического притяжения поляризованных сфер, так как не обнаруживалось увеличение ледяной перемычки между сферами.

Рис. 25. Конфигурации моделей для исследования увеличения сил взаимодействия между ледяными кристаллами по сравнению со сферами эквивалентного радиуса гэкв. По Сондерсу [501].

Для оценки увеличения сил взаимодействия между ледяными кристаллами разной конфигурации по сравнению со сферами эквивалентного радиуса Сондерс [501] выполнил экспериментальное исследование на проводящих моделях (рис. 25). Увеличение сил взаимодействия для данной напряженности поля и отношения расстояние между частицами и гэкв — эквивалентный радиус) можно представить как отношение

Исследования показали, что у не зависит от напряженности поля при постоянном и не зависит от при постоянной напряженности поля. Оказалось, что для конфигураций 1, и 3 у равно 5—6. Конфигурация 2 также приводит к увеличению силы взаимодействия: тогда как конфигурация 4, 5, 6 и 7 уменьшают силу взаимодействия до Таким образом, при опреде-. ленных положениях ледяных кристаллов игольчатой и пластинчатой 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 частиц с соответствующими напряженности поля в грозовых облаках значениями расположится вдоль направления поля. Если напряженность вертикального поля будет значительно превышать напряженность горизонтального поля, то частицы расположатся своей длинной осью вертикально. Такие частицы имеют значительно большую скорость падения, чем те, у которых ось располагается горизонтально (Джаяратне и Мейсон [349], В. А. Дячук [45]). При этом вероятность соударения частиц и образования агрегатов -образной формы значительно увеличится (Смит-Иогансен [527]). Таким образом, электрическое поле, изменяя ориентацию ледяных частиц в грозовых облаках, может сильно влиять на аэродинамические условия их соударения и образования агрегатов.