2.1.9. Образование ливней и града в кучево-дождевых облаках

Рассмотрим качественно рост частицы в кучево-дождевом облаке в начальной стадии его развития.

В струях восходящих токов создаются благоприятные условия для образования крупных облачных капель. В этих струях возможны большие отклонения водности, электрических зарядов на капельках и полей от средних по облаку, что должно привести к значительному увеличению скорости коагуляции капелек. И. М. Имянитов и др. [74] назвали такие области «питомниками» крупных капель.

При подъеме крупных капель вверх и их переохлаждении до температуры, как правило, ниже —10° С возникает вероятность их замерзания за счет ядер кристаллизации или засева ледяными кристаллами сверху. Замерзание капелек сопровождается вырыванием из их поверхности ледяных кристаллов, причем коэффициент размножения, по-видимому, больше единицы. Кристаллизация капель приводит к их электризации. Появление ледяных частиц обусловливает также возможность их контакта с капельками, сопровождающегося электризацией. В результате создаются условия для появления значительных зарядов и полей, что немедленно должно сказаться на скорости роста частиц.

Ледяная частица поднимается восходящими токами вверх, несколько отклоняясь от вертикали вследствие существования вертикального градиента скорости ветра. Ее подъем будет продолжаться до тех пор, пока конечная скорость падения частицы не сравняется со скоростью восходящих токов. При падении она будет продолжать расти, причем скорость роста должна увеличиваться по мере ее опускания вниз. Тепло, выделяющееся при сублимации и коагуляции, идет на нагревание растущей частицы и теряется вследствие теплопроводности воздуха. Но может наступить такой момент, когда выделяющееся тепло окажется достаточным для нагревания

частицы до 0°С и некоторая часть воды не будет замерзать. Тогда на поверхности ледяной частицы появится жидкая пленка. Таким образом, рост ледяной частицы при падениии состоит из стадии «сухого» роста до нагревания частицы до 0°С и стадии «мокрого» роста, когда не вся вода на поверхности частицы замерзает. При образовании на поверхности крупной частицы (градины) достаточно толстой водяной пленки происходит срывание избыточного количества воды.

При сухом росте ледяной частицы в области низких температур замерзание капелек на ее поверхности происходит весьма быстро, что приводит к нарастанию слоя льда малой плотности. Кроме того, возможна также коагуляция с ледяными частицами (кристаллами, снежинками и т. п.). В результате в начальной стадии сухого роста образуется снежная крупа малой плотности. При падении ледяные частицы попадают в слои с большой водностью и, следовательно, соударяются с более крупными капельками, замерзание которых происходит уже не столь быстро, а самые крупные из них при соударении растекаются по поверхности; поэтому при падении частицы ее плотность должна расти. В общем плотность ледяной частицы должна зависеть от водности и температуры облачного воздуха, а также от ее радиуса. Так как водность, температура и радиус частиц при падении растут, плотность частиц увеличивается. При мокром росте ледяных частиц вода засасывается в капиллярные поры, вследствие чего происходит дальнейший рост ее плотности. Образуется губчатый, пропитанный водой лед.

В области сухого роста образование зарядов на частицах возможно благодаря контактной электризации, обмену зарядами при контактах частиц в электрическом поле и выбрасыванию ледяных частиц при замерзании капелек на поверхности ледяных частиц. Сравнительно большая скорость падения крупы обусловливает достаточно быстрое разделение зарядов и усиление вследствие этого электрического поля. Таким образом, в области сухого роста уже появляются заряды и электрические поля, которые могут увеличить скорость коагуляционных процессов. В области мокрого роста могут играть роль механизмы электризации при частичном замерзании воды на градинах, при срывании капель с градин и соударениях между ними в электрическом поле. Заряды на частицах и электрические поля в области мокрого роста весьма велики и могут оказать существенное влияние на рост градин.

Рост ледяных частиц возможен только до уровня изотермы 0°С. Ниже этого уровня происходит таяние ледяных частиц вследствие притока тепла в основном за счет конденсации водяного пара и теплопроводности воздуха. Интенсивность таяния частиц зависит от скоростей восходящих и нисходящих токов, в которых они падают. Расчеты показывают, что в восходящих токах время падения настолько велико, что градины, которые имеют диаметр около 1 см на уровне изотермы 0°С, успевают полностью растаять до момента выпадения на землю. В нисходящих токах время падения сравнительно невелико, и градины достигают поверхности земли.

Мы рассмотрели процесс укрупнения частиц, которые поднимаются восходящими токами, а затем опускаются вниз в восходящих или нисходящих токах. В этом случае сердцевина градин должна представлять собой плотный лед. Однако в ряде случаев, кроме градин с плотной сердцевиной, встречаются градины, у которых сердцевина имеет сравнительно малую плотность. Как полагает, например, Фетерис [295], такие градины образуются вследствие роста снежной крупы малой плотности, зародившейся на больших высотах, в вершине кучево-дождевого облака.

Ледяной кристалл в вершине кучево-дождевого облака должен находиться во взвешенном состоянии, так как скорость его падения мала, а скорость восходящих токов уменьшается с увеличением высоты. Вследствие этого в вершине должна существовать большая концентрация ледяных кристаллов. Тем самым увеличивается вероятность их соударения друг с другом и с переохлажденными капельками, а также возможность образования агрегатов. При падении агрегат из ледяных кристаллов продолжает расти за счет соударения с ледяными частицами и переохлажденными капельками. В результате образуется снежная крупа, размеры и плотность которой растут по мере падения. Достигая уровня мокрого роста, снежная крупа превращается в ледяную, а затем и в град.

Таким образом, независимо от причины образования зародышей града можно считать, что эти зародыши растут в области сухого и мокрого роста примерно одинаковым образом. Для определения электризации частиц в областях сухого и мокрого роста нет необходимости рассматривать заряды, которые могут образоваться на них во время роста при подъеме вверх до максимальной высоты. При любом возможном механизме электризации заряд на крупе радиусом до 0,5 мм пренебрежимо мал по сравнению с зарядами на гидрометеорах в грозовых облаках. Исходя из этого будем рассматривать рост, а затем и электризацию зародышей радиусом 0,5 мм при падении в облаках.

Наблюдатель, находящийся на поверхности земли, различает два типа грозовых облаков — ливневый и градовый. Многочисленные наблюдения позволяют считать, что на высотах в грозовых облаках почти всегда имеются твердые гидрометеоры — крупа и град. Только в облаках первого типа они успевают растаять до достижения поверхности земли, а в облаках второго типа не успевают растаять и выпадают в виде града. Представляет интерес рассмотреть рост частиц в моделях грозовых облаков, соответствующих обоим типам. В дальнейшем для простоты мы будем эти две модели называть грозовой и градовой соответственно.

И. В. Будак и др. [18] на ЭВМ М-220 выполнили расчеты роста и таяния градин для значительного числа (21) моделей кучево-дождевых облаков, в том числе для интересующих нас грозовой и градовой моделей (табл. 22). В табл. 22 для уровней приняты следующие обозначения: гверш и госн — соответственно вершины и основания облака, — изотермы максимальной скорости восходящих токов и водности нулевой

скорости восходящих токов, максимальной скорости нисходящих токов излома кривой градиента температуры; для градиентов температуры: от поверхности земли до госн от до Для температуры: поверхности земли, в основании облака, бверш в вершине облака. Для расчетов принималось, что скорости восходящих и нисходящих токов и водность изменяются линейно с высотой. Скорости вертикальных токов равны нулю у поверхности земли и в вершине облака. Водность равна нулю в основании и вершине облака.

Рис. 36. Рост сферических гидрометеоров при падении в кучево-дождевом облаке. а — грозовая модель, градовая модель; 1 — граница между областями сухого и мокрого роста гндрометеоров, 2 и 3 — уровни максимальных скоростей восходящих и нисходящих токов соответственно; пунктир — уровень изотермы 0°С

Результаты вычислений представлены на рис. 36 и в табл. 23. В этой таблице приняты следующие обозначения: соответственно уровни начала счета, границы между областями сухого и мокрого роста и уровня полного таяния градины; соответственно время роста или таяния в пределах соответствующих областей и полное время; и сек — соответственно конечные радиус и плотность градин.

Как видно на рис. 36, в случае грозовой модели (кривая а) сухой рост снежной крупы происходит почти линейно в пределах высот 7000-5700 м. Радиус крупы увеличивается от 0,5 до ее плотность — от 200 до масса — от до Так что в пределах этих высот относительный рост массы крупы весьма значительный — в 2000 раз. Дальнейший рост частицы наблюдается в области мокрого роста практически только до уровня максимальной скорости восходящих токов. Он небольшой — радиус увеличивается до 4,9 мм, плотность до При падении с уровня максимальной скорости восходящих токов до уровня

Таблица 22 (см. скан)

изотермы 0°С частица не претерпевает каких-либо заметных изменений. Ниже уровня изотермы 0°С происходит таяние градины, сначала не очень интенсивное — на высоте 2000 м радиус равен 4,8 мм. Но ниже уровня максимальных скоростей нисходящих токов таяние уже более заметное. В результате на высоте около 100 м над поверхностью земли градина достигает радиуса 2,5 мм, т. е. размеров крупной капли. Такая частица может достигнуть поверхности земли в виде капли, так как при радиусе меньше 2,5 мм она не разрушается. Таким образом, вычисления показывают, что рассмотренная модель является типичной грозовой: градины, которые образуются в облаке, успевают полностью растаять и на поверхность земли выпадают капли дождя.

Увеличение размеров частицы в области сухого роста градовой модели (кривая б) также почти линейно зависит от высоты, однако происходит значительно быстрее: радиус увеличивается до 6,8 мм на высоте около 8600 м, плотность — до 900 кг/м3, следовательно, масса частицы увеличивается в 104 раз. В области мокрого роста скорость увеличения размеров до уровня с максимальными скоростями восходящих токов еще больше: на высоте 7500 м радиус градины равен 17,2 мм. Ниже этого уровня, примерно до высоты 6000 м, скорость роста градины еще значительная — радиус достигает 19,7 мм. С 6000 до 3500 м изменение размеров градины уже невелико. Почти вся вода, аккумулирующаяся на градине, срывается с нее. Поэтому на этих высотах концентрация крупных капель должна быть сравнительно большой. Максимальный радиус (20 мм) градина имеет на уровне изотермы 0°С. Таяние градины в нисходящих токах не очень сильно сказывается на ее размерах — у земли радиус равен 19,2 мм.

Выполненные выше расчеты роста твердых гидрометеоров необходимы для дальнейших расчетов образования и накопления зарядов в грозовых облаках. Сейчас это, по-видимому, единственная возможность получить какие-либо приближенные, но сравнительно реальные оценки. Для более полного решения поставленной задачи необходимо учитывать как неоднородность в распределении основных, влияющих на рост частиц характеристик облака, в том числе электрических, так и различия в траекториях отдельных частиц.