1.6.2. Физические основы и некоторые экспериментальные исследования кристаллизации переохлажденных капель воды

Свойство воды находиться в переохлажденном состоянии установлено более двух столетий тому назад. Были выполнены многочисленные исследования, которые привели к представлению, что замерзание масс и капель переохлажденной воды является вероятностным процессом. Для возникновения твердой фазы в переохлажденной воде необходимо образование зародыша — устойчивого комплекса молекул с льдоподобной решеткой, способного расти, создавая ледяной кристалл. В переохлажденной воде твердые нерастворимые частицы субмикронных размеров могут служить ядрами кристаллизации. Вероятность образования зародыша твердой фазы на поверхности нерастворимой частицы будет зависеть от подобия строения вещества частицы и льда и температуры переохлаждения. Вероятность замерзания капли воды будет зависеть, кроме того, от ее объема.

В чистой воде ядрами замерзания могут служить комплексы молекул воды, имеющие структуру льда, которые спонтанно возникают в ней. Вероятность спонтанного возникновения ядер замерзания зависит от температуры переохлаждения. Из теории фазовых превращений (например, Я.И. Френкель [185]) вероятность спонтанного образования зародыша за единицу времени в

единице объема переохлажденной воды равна

где энергия активации самодиффузии молекул; работа образования зародыша; постоянная Больцмана; -абсолютная температура; А — коэффициент пропорциональности.

По Л. Г. Качурину [79], вероятность кристаллизации монодисперсного аэрозоля пропорциональна вероятности образования зародыша объему У, занимаемому жидкостью, и времени

При этом предполагается, что капелька, в которой возник зародыш, мгновенно кристаллизуется. В результате вычислений Качурин получил зависимость времени кристаллизации для капелек монодисперсного аэрозоля от температуры переохлаждения (рис. 19).

Рис. 19. Зависимость времени кристаллизации половины капель от температуры . По Л. Г. Качурину [79]. Радиус капель

Из рисунка следует, что время замерзания аэрозоля, состоящего из капель радиусом около 1 мм, при температуре около —10° С составляет секунды. Для этого же времени замерзания, но для капель радиусом 10 мкм требуется уже температура около —21° С. Туман с еще меньшими капельками, радиусом 1 мкм, может быстро замерзнуть только при температурах ниже —40° С. Качурин [80] рассчитал также скорость замерзания полидисперсных аэрозолей.

На результаты экспериментальных исследований замерзания переохлажденных капель большое влияние оказывает чистота воды и окружающего воздуха, а также вещество подложки или подвески капель. В большинстве ранних опытов на эту сторону вопроса обращалось недостаточно внимания.

В ряде опытов, выполненных в последнее десятилетие, более низкие температуры замерзания капель получались в тех случаях, когда применялась более чистая вода и более чистый воздух. Опыты с капельками микронных размеров из чистой воды и с тщательно очищенным воздухом привели к выводу, что температура спонтанной кристаллизации равна около —41° С. Было обнаружено, что зависимость температуры замерзания капель чистой

воды от их размеров выражена сравнительно слабо. Так, капли радиусом до 100 мкм имели среднюю температуру замерзания около —35° С, а капли радиусом до 1 мм удавалось переохладить до температуры ниже —30° С.

Существует предположение, что температура замерзания капель зависит от скорости их переохлаждения. Однако тщательные опыты по замерзанию капель диаметром 2,7 мм показали, что при увеличении скорости охлаждения почти на порядок температура замерзания понижается менее чем на 0,5° С [552].

На вероятность кристаллизации должна также оказывать влияние скорость падения частиц, так как с ее ростом увеличивается вероятность захвата ядер кристаллизации. В. А. Дячук [42] проводил опыты по замерзанию капель радиусом 1-1,5 мм в воздухе, в котором наблюдались ледяные кристаллы. Когда их содержание в потоке было небольшим, при скорости потока 6 м/с и температуре —6° С только 62% капель переохлаждалось до этой температуры, а остальные замерзали при более высокой температуре, при температуре при —12° С уже 0%.

В связи с возможным действием грозовых разрядов на кристаллизацию переохлажденных капель возникла необходимость исследовать влияние механических воздействий и адиабатического расширения воздуха на их замерзание. Гойер и Плустер [317] создавали ударные волны в переохлажденном тумане. При температурах ниже —36° С наблюдалась кристаллизация, которую, как они считают, обусловливает адиабатическое расширение влажного воздуха. Расчеты показали, что при ударе молнии адиабатическое охлаждение вблизи канала является недостаточным для того, чтобы вызвать кристаллизацию. Гойер [315] пришел к выводу, что в радиусе около 6 м от канала молнии все капли диаметром, превышающим 1 мм, претерпевают грибообразное разрушение, что, согласно Кенигу [367], облегчает их замерзание и образование ледяных частиц.