книги из ГПНТБ / Литвинов, И. В. Структура атмосферных осадков

У Д К 551.578

7 - Ч -

В монографии сделан обзор применявшихся- в последние 20 лет методов исследования пара^, метров твердых и жидких частиц осадков ц.

зультатов их измерения. Рассмотрены свойства как отдельных частиц (форма, скорость падения, внутренняя структура), так и коллектива (рас­ пределение по массам и размерам).

Приведены обобщенные результаты исследо­ ваний изменения отдельных частиц и их сово­ купности за счет конденсации, коагуляции с кап­

и активных воздействий, и может служить спра­ вочным пособием при рассмотрении прикладных задач.

The monograph is a review investigation me­ thods of solid and liquid particles of parameters used in last 20 years and the results of its measu­ rement. Not only the qualities of separate particles are revised (such as form, speed of falling, inner

ticles investigations and their combination on ac­ count of condensation, coagulation with cloud drops and each other, melting, evaporation and

as a hand—book while working with operational problems.

ВВЕДЕНИЕ

Наблюдения за частицами атмосферных осадков, особенно за твердыми (снежинки, градины), ведутся на протяжении уже мно­ гих веков. Однако только в последние десятилетия, наряду с опи­ санием различных форм снежинок и градин и общим рассмотре­ нием вопроса о форме и свойствах частиц, стали проводиться ин­ струментальные наблюдения и измерения. Завершающей работой «описательного» плана является монография А. Д . Заморского [30], в которой систематизированы данные визуальных наблюде­ ний за частицами твердых осадков. Изучение частиц жидких осад­ ков (капли дождя), их массы, скорости падения, формы началось сравнительно поздно, в конце X IX в. Однако с 40-х годов, т. е. со времени развития радиолокации, исследования атмосферных осад­ ков стали бурно развиваться. В настоящее время объем сведений

оразличных параметрах жидких осадков значительно больше, чем

отвердых.

Развитие метеорологии, радиометеорологии, физики облаков и активных воздействий потребовало детального исследования структуры как самих частиц осадков, так и их распределения, ибо эти величины отражают процессы осадкообразования в облаках и являются своеобразным итогом жизнедеятельности облака.

Из-за методических трудностей, связанных с отбором матери­ ала, и изменчивости атмосферных осадков по количеству и по виду выпадающих частиц многие инструментальные наблюдения оказа­ лись малосопоставимыми друг с другом.

Так как эти вопросы начинают привлекать все большее вни­ мание, то, по-видимому, является целесообразным обобщить на­ копленный опыт инструментального исследования параметров как твердых, так и жидких частиц осадков.

Во многих случаях большой интерес представляют не только сами результаты наблюдений, но и методы их получения, так как на первом этапе инструментальных наблюдений из-за несовершен­ ства аппаратуры или методики измерения многие результаты ока­ зались искаженными.

В работе собраны и обобщены сведения о методике и результа­ тах измерений различных параметров частиц осадков. В основном рассмотрены результаты, полученные за последние 20 лет, когда методика измерений достигла определенного прогресса и стали

Г л а в а 1

АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЧАСТИЦ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ

1.1. Исследования отдельных капель дождя и их совокупности

Изучение дождевых капель проводится как на естественных объектах — природных каплях дождя, так и на искусственных, по­ лучаемых тем или иным способом в лабораторных условиях. Для получения капель в лаборатории обычно используют капель­ ницы различной конструкции. Наиболее простые капельницы—

меньшего размера вследствие сил поверхностного натяжения про­ извольно за счет собственного веса не отрываются от капилляра, а большие капли отрываются слишком быстро. Для облегчения отрыва капель от капилляра последний помещают в центре ци­ линдра, где создается поток воздуха, направленный вдоль линии отрыва. Этим методом можно значительно уменьшить нижний пре­ дел размеров получаемых капель (до 0,4—0,5 мм) [172]. Несколько иная конструкция капельницы была предложена Рилом и Халлетом [324]. В их установке капли заданного размера выращивались на конце капилляра. Отрыв капель происходил за счет импульс­ ного потока воздуха. Размер капель определялся напором воды, а частота сброса капель — частотой импульсов воздушного потока. При помощи этой установки удавалось получить капли диаметром 0,45—2,00 мм. Разброс размеров не превышал 1,5% для капель ди­ аметром 0,45 мм и 0,5% для капель диаметром 1,80 мм. Анало­ гичный результат получается, когда внутрь капилляра помещается пьезовибратор [131].

В настоящее время широкое распространение получили чисто вибрационные способы получения капель [88, 170]: капилляр поме­ щается на якоре, который с помощью электромагнита приводится в колебательное движение. Меняя амплитуду и частоту колебания, а также скорость подачи воды и диаметр капилляра, можно полу­ чить капли в широком диапазоне размеров. Преимущество двух

5

последних способов заключается в возможности получения боль­ шого количества капель с заданной частотой. Применяя несколько аналогичных устройств н питая их током с заранее заданным сдви­ гом фаз, можно получить серин капель через различные интервалы времени и, следовательно, летящие на различном расстоянии друг от друга. Последнее особенно ценно при исследовании взаимодей­ ствия капель. Для получения отдельных больших дождевых ка­ пель (rf>3 мм) вышеприведенные способы непригодны, так как капли, не достигнув больших размеров, соскальзывают с капил­ ляра под действием силы тяжести. При этом наряду с большой каплей образуется меньшая или даже несколько небольших ка­ пель за счет разрыва «мостика», тянущегося за большой каплей при ее отрыве от капилляра. Большие капли можно получить, на­ капливая воду на краю пластинки, имеющей небольшое углубле­ ние. При накоплении некоторого количества воды она «перевали­ вается» через край [272]. Бланчард [108] получал капли диаметром до 9 мм при помощи специальной пипетки. Капельница состояла из трубки диаметром 7,5 мм, которая снизу закрывалась пористым стеклянным плоским фильтром, а на верхнюю часть трубки наде­ вался резиновый баллончик. Образование больших капель = 8 мм) происходило при сдавливании баллончика. Для получения

капель еще большего размера одновременно с надавливанием на баллончик все устройство необходимо опускать вниз, чтобы предотвратить распад образующейся капли.

Образующиеся искусственные капли при отрыве от капилляра имеют неправильную форму и сильно вибрируют. Вибрации при падении капель в нетурбулизпрованном воздухе постепенно зату­ хают. При отрыве от капилляра капли увеличивают свою ско­ рость, приобретая со временем так называемую установившуюся скорость падения. Путь, проходимый каплями до приобретения ими 97—99% установившейся скорости, определяется их диаметром [130, 237]. Для капель диаметром 1,5 мм этот путь равен примерно 4 м, для капель диаметром 5 мм — 20 м.

Естественные и искусственные капли после приобретения ими установившейся скорости падения несколько меняют свою форму. Для изучения изменения формы капель под действием различных сил (сопротивления воздуха, встречи с препятствием или другой каплей) широко используют метод их фотографирования при им­ пульсном освещении [82, 83, 138, 170, 225, 254, 272, 291]. Четкое изображение получается при фотографировании капель на фоне ярко освещенного экрана с небольшой боковой подсветкой. При съемке в отраженном свете за счет его преломления на выпуклой поверхности капли на снимках четко выделяются только отдель­ ные части капель или в лучшем случае их контуры.

По фотографиям в ряде случаев можно достаточно точно опре­ делить объем капель, а следовательно, и вес, так как содержание примесей в дождевой воде невелико (доли процента) и не оказы­ вает заметного влияния на удельный вес воды. При стробоскопи­ ческом освещении или высокоскоростной съемке удается получить

6

серию фотографий через короткие интервалы времени, по которым можно делать заключение об изменении во времени формы капель, поведении капель при соударении друг с другом или с препятст­ вием [185, 252, 291, 360].

Для определения объема капель применяется метод, основан­ ный на улавливании капель в кюветы с вазелиновым или 'касто­ ровым маслом [3, 13, 172]. Берется слой масла толщиной 6—8 мм, так что даже самые большие капли оказываются полностью в него погруженными. Из-за разности в удельном весе масла и воды большие капли несколько сплющиваются. Горизонтальный размер капель в масле определяется с помощью микроскопа; для опре­ деления вертикального размера рядом с каплей помещают не­ большую призму полного внутреннего отражения, через которую получают изображение капель сбоку. В ряде случаев размер ка­ пель измеряют по их фотографиям. Оба эти метода являются аб­ солютными. Все другие методы или устройства, предназначенные для определения массы капель (подробно о них будет сказано ниже), являются не абсолютными, а требуют градуировки, которая выполняется при помощи капель воды заданной массы, стеклян­ ных, пластмассовых или стальных шариков.

Скорость падения капель воды определяется или при помощи метода подвешивания их в потоке воздуха с известной ско­ ростью [100, 241] или по времени пролета каплями различного расстояния [172, 237, 334]. Устройство для определения ско­ рости падения водяных капель, предложенное Шмидтом, состояло из двух дисков, расположенных на одной вертикальной оси и вра­ щающихся с постоянной скоростью. Через щель в верхнем диске капли падали на нижний, по отклонению отпечатка капли на ниж­ нем диске от ортогональной проекции на него щели верхнего диска определялось время пролета капли и ее скорость. Для более точного определения времени пролета и скорости падения капель рядом исследователей применялось фотографирование через рав­ ные промежутки времени [82, 83, 237]. Этот метод позволяет опре­ делить скорость падения и форму падающих капель.

Наиболее совершенным методом, пока непревзойденным по точ­ ности, является метод индукционных колец, предложенный Ган­ ном и Кинцером [172]. В этих измерениях искусственно заряжен­ ные капли пролетали через кольца и наводили на них заряды. Скорость падения вычислялась по разности времени между появ­ лением импульсов на двух кольцах, расстояние между которыми 130 см. Этот метод позволил провести измерения с высокой точ­ ностью (ошибка измерения составляла не более 0,7%).

Для измерения температуры капель в настоящее время пред­ ложено два метода: подвешивание капли на термопаре и опти­ ческий метод. Подвешивание капель на термопаре, состоящей даже из очень тонких проводов, вносит некоторые изменения в ее температурный режим. Термопара образует некоторую твердую основу, препятствующую вибрации капель и циркуляции внутри капли воды. Поэтому условия, при которых измеряется температура,

7

несколько отличаются от естественных. Точность измерения температуры подвешенной капли может быть не менее 0,1° С. Опти­

направляется в микрокювету, наполненную дистиллированной во­ дой при определенной температуре [212]. В том случае, когда тем­ пература капли и воды в кювете одинаковая, упавшая туда капля не вызывает оптических неоднородностей, регистрируемых обыч­ ными методами. Точность измерения температуры не очень высока, примерно 0,3—0,5° С.

Для изучения испарения капель — изменения их диаметра во времени — капля «подвешивается» на тонкой нити в восходя­ щем воздушном потоке или просто падает в невозмущенном воз­ духе.

Наиболее надежным методом измерения размеров является фотографирование капель в начале и конце пути свободного паде­ ния в пространстве с заданными свойствами [212]. Таким спосо­ бом исследовалось испарение мелких капель (от 0,01 до 0,14 мм), когда скорость их падения еще мала. Для более крупных капель от 0,04 до 1 мм применялась аппаратура, основанная на измере­ нии времени пролета предварительно заряженной капли через систему индукционных колец. Размер капли в этом случае опреде­ лялся, исходя из конечной скорости ее свободного падения, а ко­ личество испарившейся жидкости — по изменению скорости. Капли диаметром от 0,8 до 4,5 мм поддерживались во взвешенном состоянии внутри конических трубок, имеющих диаметр в узкой части несколько больший, чем диаметр капли. При вытягивании воздуха через верхнюю часть трубки капля занимала определен­ ное положение в ее центре, где и проводилось определение ее раз­ мера. Капли диаметром от 4 мм и выше поддерживались во взве­ шенном состоянии в свободном вертикальном потоке. При подвешивании капли на нити условия ее испарения отличаются от условий испарения свободно падающей дождевой капли, ибо воз­ можности для вращения и вибраций капли ограниченны. Кроме того, трудно на всех этапах испарения поддерживать скорость воздуха, соответствующую скорости падения капли в воздухе. Поэтому результаты исследования этим методом отличаются от других, более надежных, основанных на измерении испарения капель при свободном падении.

Дожди, как правило, состоят из капель различной величины, причем одновременно могут выпадать капли от 0.5 до 6—8ж или капли, занимающие какую-то часть диапазона. Размеры капель дождя вследствие деформации их формы принято характеризовать эквивалентным диаметром d, т. е. диаметром сферической капли, имеющей ту же массу.

Распределение совокупности капель по эквивалентным диамет­ рам описывается либо кривой плотности распределения, либо кри­ вой счетного распределения частиц по размерам, при этом коли­ чество капель в единице объема воздуха р (d) и количество ка­

8