1.6. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ПЕРЕОХЛАЖДЕННЫХ КАПЕЛЬ ВОДЫ

Когда вершина мощных кучевых облаков оказывается в области низких отрицательных температур, происходит замерзание капелек, что приводит к изменению условий роста частиц и электризации. Поэтому до рассмотрения особенностей роста ледяных частиц в облаках представляется целесообразным ознакомиться с процессами кристаллизации переохлажденных капелек и влиянием на них электрических сил.

Для лучшего понимания процессов кристаллизации рассмотрим сперва некоторые вопросы строения воды и льда.

1.6.1. Строение воды и льда

Строение молекул воды, так же как структура жидкой воды и льда, исследовалось с помощью различных методов — оптической спектроскопии, комбинационного рассеяния световых лучей,

дифракции рентгеновских лучей, электронов и нейтронов. Однако еще и сейчас нет полной ясности относительно структуры воды, особенно в жидкой фазе. Причиной этого являются необыкновенные свойства воды, являющейся аномальным веществом во многих отношениях.

В твердой фазе вода также обладает аномальными свойствами. Поражает огромное разнообразие форм ледяных кристаллов (снежинок) в атмосфере. В атмосферных условиях существует только одна из возможных кристаллических структур льда — гексагональная, тогда как при температурах ниже —70° С кристаллы льда приобретают кубическую структуру, при еще более низких температурах лед вообще теряет свою кристаллическую структуру — он становится аморфным.

Молекулярный вес обычной воды 18 молей. Однако из-за существования трех изотопов водорода и шести изотопов кислорода может образоваться большое число разновидностей воды, из которых в природных условиях встречается в очень небольших количествах практически только тяжелая вода с дейтерием или и . В природной воде (дождевой, речной и т. п.) содержится около 0,02% тяжелой воды. Поэтому на строение атмосферной воды присутствие тяжелой воды не оказывает какого-либо заметного влияния.

При объединении атомов в молекулы могут возникнуть ионные или полярные связи, а чаще всего те и другие одновременно ( Соколов [172]). В случае ионной связи атом, у которого на внешней орбите имеется избыток электронов, соединяется с атомом, на внешней орбите которого имеется недостаток электронов. Типичной является реакция соединения атомов с образованием ионов . В случае полярной связи происходит объединение орбит электронов вокруг протонов атомов, входящих в состав молекулы; к такому типу принадлежат и молекулы воды.

Вода является полярным веществом, т. е. ее молекулы представляют собой электрические диполи с моментом Вследствие этого расположение атомов водорода в молекуле воды не может быть линейным и симметричным относительно атома кислорода. Асимметричное линейное расположение атомов водорода также невозможно, ибо такая молекула воды оказывается неустойчивой. Поэтому необходимо предположить, что атомы расположены в вершинах равнобедренного треугольника с одинаковыми сторонами На основании экспериментальных исследований было установлено, что длина сторон в треугольнике равна а угол между этими сторонами составляет Длина стороны равна 1,52 А.

В газообразном состоянии вода содержит в основном отдельные молекулы, но какая-то часть их соединяется в комплексы по две молекулы или более. Так как электронное облачко атома водорода только частично захватывается своим атомом кислорода, то атом водорода со стороны открытого конца проявляется как слабый положительный заряд, который и притягивается к атому

кислорода другой молекулы (рис. 17). Эту связь называют протонной или водородной. Протонная связь много слабее полярной. Вследствие этого образование ассоциированных молекул воды носит статистический характер и длительность существования комплекса весьма мала — порядка Закономерности образования таких комплексов в атмосфере были исследованы В. Я. Никандровым [151].

В жидком состоянии плотность упаковки молекул воды весьма велика. Поэтому вероятность ассоциации молекул возрастает. Так как плотность жидкой воды мало зависит от давления, вероятность ассоциации молекул зависит только от температуры.

Рис. 17. Строение

Полярная связь — сплошная линня, водородная (протонная) связь — штриховая линня.

Рис. 18. Тетраэдрическая структура кристаллической решетки льда.

При температурах воды, близких к 0° С, образуются комплексы из пяти-шести молекул.

Исследования кристаллов льда рентгеновскими лучами показали, что в кристаллической решетке каждый атом кислорода окружен четырьмя другими атомами кислорода. При равном расстоянии «периферийных» атомов кислорода от «центрального» образуется тетраэдр (рис. 18); внутренние углы тетраэдра должны быть равны 109° 28. Каждый «периферийный» атом может играть роль «центрального», в результате чего образуется кристаллическая решетка льда. Надо полагать, что в жидкой фазе при температурах, близких к упомянутые комплексы из пяти молекул также образуют тетраэдры, своего рода жидкие кристаллы.

Из исследований дифракции нейтронов в кристаллах льда было получено, что атомы водорода располагаются на расстоянии 1 А от атомов кислорода. Энергия связи каждого атома водорода с ближайшим атомом кислорода совершенно одинакова, поэтому при переходе одного из атомов водорода на место, ранее занятое другим, их энергия не изменяется. Такой переход возможен только

в том случае, если появляется внешнее воздействие в виде электрического поля, нагревания и т. п. и атом получает необходимую энергию для перехода. Но возможны также спонтанные переходы вследствие так называемого «туннельного» эффекта, при которых дополнительная энергия может быть меньше энергии перехода атома водорода из одного положения в другое.

Пусть при наложении внешнего электрического поля произойдет перемещение одного из атомов водорода по линии связи из одного положения в другое. Тогда первый атом кислорода потеряет ион водорода, а второй приобретет. Вследствие этого появится диполь Восстановление равновесия произойдет в том случае, если в эту пару перескочит ион водорода из другой пары, и т. д. В результате появится электрический ток. Таким образом, электропроводность чистого льда можно объяснить переходом ионов водорода под действием внешнего электрического поля, т. е. лед имеет протонную проводимость.

На поверхности ледяных кристаллов молекулы находятся в несколько особом состоянии, чем во внутренних частях. У этих молекул некоторые связи отсутствуют, и у них дополнительно к колебательным появляется возможность совершать вращательные движения. Вследствие этого на поверхности ледяных кристаллов должен существовать молекулярный квазижидкий слой, проводимость которого должна быть выше проводимости собственно ледяного кристалла.