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 кристаллами могут привести к образованию частицы только малой плотности, что характерно для крупы. При небольших скоростях падения растущей частицы и низкой температуре замерзание переохлажденных капелек будет происходить весьма быстро, так что они должны слабо расплываться. Браунскомб и Халлет [251] получили, 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 начальному радиусу). Исследования строения отложений льда показали, что при низких температурах переохлаждения и малых скоростях соударения плотность «упаковки» замерзших капелек мала [407 и др.]. При температуре —16,5° С и скорости соударения 2 м/с плотность льда оказалась равной тогда как при —4° С и 11,4 м/с плотность льда

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 сбрасывались с расстояния в несколько сантиметров на электрод, покрытый льдом.

Рис. 26. Деформация при соударении крупных капель с поверхностью льда в электрическом поле. Температура переохлаждения — 16° С. По Т. Г. Габарашвили и др.

Для оценки величины деформации был введен параметр равный отношению площади соприкосновения капли со льдом к площади ее соприкосновения с воздухом. Как видно из рис. 26, деформация капель в электрическом поле весьма интенсивная, 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 существенное влияние разные случайные причины. Так, достаточно на их поверхность попасть сравнительно крупной капельке, чтобы

изменились их ориентация и аэродинамические условия захвата капелек и ледяных кристаллов [531]. Резкие колебания напряженности поля при грозовых разрядах тоже будут случайным образом влиять на ориентацию таких ледяных зародышей при падении [138]. Вместе с тем всякое нарушение правильности формы, появление выступов на поверхности падающих тел, приводит к значительному увеличению коэффициента захвата и более быстрому росту этого выступа [358, 408]. Если направление выступа совпадает 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 [53], в среднем она равна [453]. По данным [425], плотность конической крупы в Японии изменяется от 300 до составляя в среднем Крупа чаще всего наблюдается у поверхности земли при температурах, близких к 0° С, а в высоких горах — при температурах, как правило, не ниже —10° С в основании облаков [257].

При дальнейшем росте крупа превращается в град. Условиями, благоприятными для образования града, являются большая водность, более высокая температура воздуха и большая скорость падения крупы. При определенном сочетании этих параметров тепло, выделяющееся при замерзании капелек, не успевает освободиться с поверхности градин, и их замерзание будет частичным. В результате часть воды сохранится в жидком состоянии и заполнит поры, образуя так называемый губчатый лед [399]. По заполнении пор избыточная вода будет срываться с градин потоком воздуха. Зародышами градин могут служить и крупные капли, поднятые восходящими токами до такой высоты, где они замерзают. 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% зародышей были сферическими и прозрачными (капли), 10% — сферическими и губчатыми (крупа или капли).

Для роста градин весьма большое значение должны иметь неоднородности на их поверхности. Браунскомб и Халлет [251] получили, что если, например, частица радиусом падающая со скоростью 1 м/с, с числом Стокса имеет коэффициент эффективности соударения с капельками радиусом то при образовании выступа радиусом происходит увеличение 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 подтверждение существования усиленного роста выступа в экспериментах с искусственными градинами. К таким же представлениям пришли

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

Если выступ на градине будет совпадать с направлением электрического поля, то должно усилиться оседание капелек на нем. Чем больше выступ по сравнению с градиной, тем интенсивнее коагуляция капелек под действием аэродинамических и электрических сил. Рост выступа на градине приобретает черты процесса с обратной связью, т. е. должен происходить со все большей скоростью. Изучение структуры градин привело Браунинга [248] и др. к выводу, что градины «кувыркаются» при падении, причем сравнительно 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 таких слоев. Например, на Северном Кавказе градины диаметром 1—2 см обычно состоят из трех слоев мутного и прозрачного льда [174]. Однако встречаются случаи, когда число слоев достигает 20 [48].

Предпринималось много попыток объяснить слоистую структуру градин. Большинство авторов считало, что причиной слоистости градин являются повторные подъемы градин восходящими токами. Однако нет достаточных оснований считать, что в грозовых облаках существуют условия для многократного подъема градин. Были выдвинуты предположения о том, что причиной слоистости градин следует считать мелкомасштабное неоднородное распределение водности в кучево-дождевых облаках [48]. Но многочисленные 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 условия 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. Мучник высказал предположение, что так как скорость коагуляции переохлажденных облачных капелек и ледяных кристаллов на градине зависит от электрического поля, то строение слоев будет различным до и после грозовых разрядов. В сильных электрических полях будет наблюдаться усиление коагуляции капелек. Часть воды будет оставаться в жидком виде, что характерно для образования прозрачного льда, особенно при сравнительно небольшом переохлаждении капелек. При низких температурах усиление коагуляции ледяных частиц и переохлажденных

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 изменяться в широких пределах. Измерения, выполненные в Канаде, показали, что плотность градин находится в пределах [48]. Наиболее полные данные о плотности градин были получены Виттори и Капориаччо [555, 556] в Италии. Они получили, что градины имеют плотность, которая в основном лежит в пределах 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 в Восточной Грузии, содержание жидкой воды в градинах может быть весьма большим — до 46% по объему [114].

Форма градин может быть самой разнообразной, но большинство из них имеет форму, близкую к сферической. С увеличением размеров чаще встречаются градины особых форм: конические, сплющенные и 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 различий в условиях их образования в кучево-дождевых облаках. Известны попытки объяснить образование сплющенных градин аэродинамическими условиями их таяния; это объяснение получило экспериментальное подтверждение [31].

Спектр размеров градин сравнительно узкий. Исследования М. Т. Абшаева и О. И. Чеповской [2] распределения града по размерам для Кавказа, Англии и Канады показали, что существуют как одновершинные, так и двухвершинные спектры, которые с хорошим приближением аппроксимируются гамма-функциями, причем двухвершинные — суммой гамма-функций. Обычно максимальные размеры градин лежат в пределах 2—5 см, однако имеются сообщения о случаях выпадения градин диаметром больше 10 см. Максимальные размеры градин на Северном Кавказе достигали 9 см [197], а в Карпатах 10 см [152]. На Украине наблюдались 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 а града — от 5 до Он подсчитал, что «градовая водность» составляет

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

где плотность градин и воздуха соответственно; R - радиус

градины; с — коэффициент сопротивления воздуха; ускорение силы тяжести.

Для с достаточной точностью можно положить, что коэффициент при равен

В случае тел другой формы необходимо вместо подставить соответствующие значения, известные для некоторых тел правильной формы. Для вытянутого эллипсоида вращения это значение равно (а — полуось, вокруг которой производится вращение), для конуса и диска — соответственно высота).

Для крупных градин, падающих с большой скоростью, может наблюдаться большое различие между температурой внутри градин и температурой окружающей атмосферы. Согласно вычислениям, градина радиусом 1 см, падающая со скоростью около 20 м/с, может иметь температуру на 12°С ниже температуры окружающего 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 случаях достигает —5, —6° С [174].