1.10. РАЗРУШЕНИЕ КАПЕЛЬ И СРЫВАНИЕ ВОДЫ С ГРАДИН

До сих пор мы рассматривали процессы, обусловливающие рост частиц в кучево-дождевых облаках. Существует необходимость и в рассмотрении процессов разрушения гидрометеоров. Эти процессы существенны не только вследствие того, что они радикальным образом изменяют спектр распределения гидрометеоров в кучево-дождевых облаках, но и потому, что они обусловливают основные механизмы электризации в них. В кучево-дождевых облаках может осуществляться, по-видимому, большое число разнообразных процессов разрушения жидких и твердых гидрометеоров: самопроизвольное разрушение крупных капель, их разрушение при соударении друг с другом и с градинами, разрушение капель, срывающихся с тающих градин, самопроизвольное разрушение хлопьев снега под действием турбулентности, разрушение ледяных частиц при соударении друг с другом. Разрушение капель при замерзании уже было рассмотрено в разделе 1.6.4. Разрушение ледяных частиц при соударении друг с другом и под действием турбулентности совершенно не исследовано. Поэтому дальнейшему разбору будут подвергнуты только процессы, при которых происходит разрушение жидких капель.

1.10.1. Спонтанное разрушение капель при падении

Разрушение капель при падении впервые было исследовано Ленардом [392]. Он установил, что существует некоторый критический размер, когда они становятся неустойчивыми и разрушаются. Ленард обнаружил, что капли диаметром 5,4 мм почти

мгновенно разрушались, как только их вбрасывали в вертикальную воздушную струю. Степень разрушения также была неодинаковой и носила случайный характер. В большинстве своем крупные капли разрушались на одну-две большие капли (диаметром 1,5-3,5 мм) и значительное количество более мелких капель (диаметром меньше 1 мм). Но в ряде случаев визуально наблюдалось как бы кольцеобразное разрушение капель, когда они распадались на семь—девять капель примерно одинакового размера, разлетающихся радиально. Ленард обнаружил, что разрушению капель предшествовало их сплющивание.

Рис. 27. Скоростная съемка (около 100 кадров/с) динамики грибообразного разрушения крупной водяиой капли в вертикальной струе воздуха. По Гохшвендеру (см. в [394]).

Гохшвендер (см. в [394]), применив скоростную съемку, получил возможность проследить динамику разрушения крупных капель (рис. 27). На рисунке видно, что вначале капля сплющивается снизу, а затем воздух врывается в каплю и растягивает ее поверхность таким образом, что образуется нечто вроде сферической шляпки гриба. У «гриба» нижние края утолщены, а вверху образуется тонкая пленка пузыря, которая растягивается под действием давления воздуха. Размеры «гриба» перед моментом разрушения в несколько раз превышают эффективные размеры капли. Метьюс и Мейсон [436] получили, что некоторые капли с эквивалентным диаметром 15 мм увеличивались перед грибообразным разрушением до 50 мм, а Котон и Гокхейль [272] обнаружили, что капля диаметром 8,8 мм перед разрушением увеличила свой размер до 25 мм. При разрушении из пленки образуется огромное количество мельчайших капелек, в том числе размеров тяжелых ионов [124]. В. И. Арабаджи [7] получил, что при наложении на объем, где происходило разрушение капель, поля напряженностью около не происходило каких-либо изменений в интенсивности разрушения по сравнению с опытами без поля.

Исследования разрушения капель в вертикальных струях воздуха имеют свои специфические особенности, присущие в первую очередь ранним работам: большая турбулентность воздуха и значительные градиенты скорости воздуха как по горизонтали, так и по вертикали. Поэтому представляют значительный интерес исследования разрушения капель при падении с большой высоты, как правило, в спокойном воздухе. Мейсон [115] упоминает об экспериментах Девиса, который сбрасывал капли дистиллированной воды с высоты 9-12 м в спокойном воздухе. Высота падения около 9 м оказалась достаточной для разрушения капель диаметром больше 12,6 мм, а высота 12 м - для разрушения капель диаметром 10,8 мм. При этом разрушение наступало на последнем трехметровом участке пути падения капель. Меррингтон и Ричардсон [441] продолжали эксперименты Девиса и для высот 15 и 38 м получили критический диаметр капель, равный 10 мм. Фурнье и Хидаетула [191, 300а] исследовали разрушение капель, сбрасываемых с разных высот до 20 м. В этих условиях разрушались только крупные капли, размером от 8,5 до 12,5 мм. Количество фрагментов находилось в пределах от 3 до 97. Большая часть фрагментов имела размеры 2-3 мм и только несколько из них 6-8 мм. При исследованиях разрушения капель в вертикальной струе Кениг [367] обнаружил, что из одной крупной капли могут образоваться две—шесть капель миллиметровой величины и свыше 400 капель диаметром больше 80 мкм.

Если в описанных выше опытах с вертикальными струями капли находились в рабочем объеме всего несколько секунд, то Бланшар [235], создав с помощью воронки поток с меняющейся вертикальной скоростью, мог удерживать капли в струе многие минуты. Это позволяло получать сведения о поведении капель при падении, в частности зависимость величины осей сплющенной капли от ее эффективного диаметра. С увеличением размеров капель быстро растет большая, горизонтальная ось капель. Для капли диаметром 9 мм большая ось почти удваивается, достигая 17 мм. Бланшар также обнаружил, что устойчивость капель зависит от направления ускорения потока. Если ускорение направлено вверх, то вероятность разрушения капель увеличивается, если же направлено вниз, то она уменьшается — устойчивость капель возрастает.

Котон и Гокхейл [272] несколько видоизменили метод взвешивания крупных капель в вертикальном потоке воздуха, разработанный Бланшаром. Они получили подтверждение выводов Ленарда и Бланшара о том, что в турбулентном потоке воздуха предел устойчивости соответствует каплям диаметром 5,5 мм, а в ламинарном — 9 мм. Исследования в широкой вертикальной струе, в которой отсутствует интенсивная турбулентность, выполненные Танака [546], показали, что капли диаметром около 7 мм имеют склонность дробиться на две сравнительно крупные капли и несколько более мелких. Перед разрушением наблюдается довольно сильная осцилляция капель.

Если при слиянии образуется капля размером, превышающим критический, то вслед за слиянием наступает разрушение вновь образовавшейся капли. Слияние капель диаметром 5,5-10 мм и их последующее разрушение наблюдал Бланшар [235] в вертикальной струе воздуха. Если меньшая капля попадала в след большой капли, то она увеличивала скорость своего падения, догоняла большую каплю и соединялась с ней. Немедленно вслед за этим происходило разрушение на довольно большие фрагменты миллиметровых размеров.

Ганн [328] обнаружил, что при центральном соударении двух капель радиусом 2 и 2,5 мм с относительной скоростью 3,4 м/с происходило их слияние и образование диска с утолщенными краями и множеством отростков. Диаметр диска в 5—6 раз больше диаметра исходных капель. Из краев вырывались многочисленные капельки весьма малых размеров. Одновременно происходило утолщение краев и уменьшение размеров диска. В некоторый момент дйск взрывался с образованием значительного числа капель. При увеличении скорости соударения до 4,5 м/с диаметр диска увеличивался в 8—10 раз по сравнению с диаметром исходных капель. При нецентральных соударениях диск имел вытянутую форму.

Механизм слияния крупных капель, диаметром 3,5-9 мм, с последующим разрушением результирующей капли в вертикальной воздушной струе исследовался также Котоном и Гокхейлем [272]. При кильватерном следовании малой капли за большой происходило их слияние с последующим разрушением почти в 60% случаев. Было обнаружено два основных типа разрушения объединенной капли: гантеле- и грибообразный. В первом случае капля некоторое время осциллирует, а затем разрушается на 2—10 капель миллиметровых размеров. Во втором случае разрушение происходит так же, как при грибообразном разрушении одной крупной капли в турбулентном потоке. Но, кроме этих двух основных типов разрушения, был обнаружен еще ряд промежуточных типов, имеющих черты как гантелеобразного, так и грибообразного типа. В этих случаях образуется до 15 капель миллиметровых размеров. На рис. 28 представлен случай кильватерного слияния капель диаметром 6 и 7,5 мм, причем немедленно после слияния произошло разрушение результирующей капли на меньшие капли, расположившиеся в виде дуги. Исследования Магарвея и Гелдарта [412] показали, что при слиянии крупных капель разных размеров также может происходить их разрушение на большое число фрагментов. Если капли диаметром 4 мм и больше соударяются с каплями диаметром 2 мм и больше, то вероятность разрушения составляет 20—40% от числа соударений.

Так как соударение больших капель — явление сравнительно редкое, то представляют интерес эксперименты Адама и др. [210] по соударению капель радиусом 60 и 300 мкм с последующим их разрушением. Капли, создававшиеся двумя одинаковыми генераторами, соударялись друг с другом с определенной скоростью.

(кликните для просмотра скана)

Для разрушения капель радиусом 300 мкм требовалось, чтобы скорость их лобового соударения составляла 0,12 от их конечной скорости падения. Из расчетов было получено, что для капель радиусом 5 мкм требуется скорость соударения 18,8 м/с, т. е. необходима скорость, превышающая более чем в 5-103 раз их конечную скорость падения.

Непосредственные измерения диаметров капель разных типов дождей показали, что в обложных дождях максимальный диаметр капель не превышает 4 мм. В ливневых дождях наблюдаются капли больших диаметров, 5-6 мм. Только несколько сообщений [505 и др.] указывает на существование капель диаметром 7 мм. Следовательно, если на высотах в кучево-дождевых облаках и имеются капли диаметром более 5-6 мм, то при падении большая их часть уменьшается до размеров, не превышающих указанные. Поэтому надо допустить, что в облаках существуют процессы, которые препятствуют росту капель, достигших по диаметру 5—6 мм. Такими процессами могут быть спонтанное разрушение капель и их разрушение при соударении друг с другом и твердыми частицами.

Исследования Бланшара и Спенсера [239] в какой-то степени подтвердили такие предположения. Струя воды, выпускавшаяся с высоты 60 м в спокойный воздух, создавала у земли дождь интенсивностью 190-1900 мм/ч. Наибольшие капли имели диаметр 9 мм. Бланшар и Спенсер получили, что капли диаметром больше 5 мм разрушаются при падении на несколько сотен метров и что вследствие соударения капель должен установиться экспоненциальный тип распределения, наблюдаемый в дождях.