Микрофизика облаков

Наиболее совершенной теорией образования облаков и осадков является теория Бержерона и Финдайзена, согласно которой водяные облака могут дать лишь небольшое количество осадков.

Для выпадения интенсивных осадков необходимы облака смешанного типа. При изучении размеров облачных капель было установлено, что облака состоят из капель размером от 2–3 до 70 мк (в слоистых облаках около 7 мк, в слоисто-дождевых – 9–10мк), иногда до 100–200 мк. Скорость падения капель воды с малым размером (до 10 мк) ничтожно мала – 1 см/с, поэтому такие капли находятся во взвешенном состоянии. Более крупные капли падают сравнительно быстро: скорость падения капель диаметром 1мм составляет 2 м/с. При этом, в слоистых, кучевых облаках мелкие капли сосредоточены у основания, а крупные – в верхней части облака. Так как размер облачных капель очень мал, то в 1 см³ воздуха водяного облака насчитывается несколько сотен капель, число кристаллов льда в 1 см³ ледяного облака намного меньше: 1 кристалл на несколько см³. Определение числа капель в единице объема облака представляет большие трудности. Поэтому число капель нередко устанавливают по так называемой водности облака.

Абсолютная водность облака – масса капель Н₂О и кристаллов льда в единичном объеме облачного воздуха (г/м³).

Удельная водность облака – масса жидкой и твердой воды в единичной массе облачного воздуха (г/кг).

Водность облаков, ее распределение с высотой и изменение во времени определяются процессами переноса тепа и влаги в атмосфере. Она зависит от температуры воздуха, вертикального градиента температуры, скорости вертикальных движений, интенсивности турбулентного обмена.

Измерения водности облаков показали, что в облаках, как правило, капельножидкой влаги меньше, чем парообразной.

Водность облаков изменяется в широких пределах, причем в водяных облаках она больше, чем в ледяных. В водяных облаках в 1 м³ воздуха содержится от 0,1 до 0,3 г воды, в смешанных – до 0,7–1,8 г/м³ (до 4 г/м³ при высокой температуре, высокой скорости вертикальных движений в кучево-дождевых облаках). В ледяных облаках – сотые и тысячные доли грамма в 1 м³ (низкая температура воздуха, малое влагосодержание).

Для образования капель недостаточно насыщения, необходимо значительное пересыщение, которое в естественных условиях не наблюдается. Процесс образования зародышевых, или первичных, капель в естественных условиях облегчается тем, что водяной пар осаждается на ядрах конденсации, обладающих гигроскопичностью (свойством поглощать молекулы водяного пара). Ядрами конденсации могут быть мельчайшие частицы, которые обладают гигроскопичностью или растворены в воде (кристаллы морской соли, окислы серы, частицы пыли, дыма, микроорганизмы и др.). В атмосфере они содержатся в больших количествах. При отсутствии таких ядер образование капелек происходило бы при большом пересыщении воздуха.

Ядра конденсации могут быть различными по диаметру:

· гигантские ядра (от 1 до 3,5 мкм).

· крупные ядра (от 0,1 до 1 мкм) (как правило, частицы морских солей).

· ядра Айткена (менее 0,1 мкм), содержатся в реальной атмосфере в значительных количествах, но остаются не активными. Конденсация на них может идти лишь при значительном пресыщении воздуха (в лабораторных условиях).

Конденсация может идти на жидких ядрах из гироскопических кислот (H₂SO₄, HNO, HNO₃, (NH₄)₂SO₄), которые являются продуктами сгорания (лесные, торфяные пожары, индустриальная деятельность); на негигроскопических, но смачиваемых ядрах, достаточно крупных (почвенного происхождения); на смешанных ядрах, состоящих из растворов солей (гигроскопических) с включением твердых частиц. Ядра конденсации могут нести электрический заряд (т.е. являться тяжелыми ионами).

Ранее предполагалось, что развитие ледяных кристаллов в атмосфере идет на т.н. ядрах сублимации. Ядра сублимации – гипотетические твердые частички, отличные от замерзшей воды, на которых идет сублимация водяного пара в воздухе. Предполагалось, что это частички твердых тел с кристаллическим строением, близким к строению льда (кварц, AgI, AgB). Опыты не подтвердили образование льда на кварце, а йодистых соединений в естественных условиях в атмосфере нет. Теперь считается, что сначала возникают зародышевые капли на ядрах конденсации, при отрицательных температурах они замерзают и на них формируются кристаллы. Возможно, процесс замерзания стимулируется наличием ядер замерзания. Ядра замерзания – частички, введение которых в переохлажденную воду приводит к ее замерзанию. По-видимому, это крупные (1–10 мкм) почвенные или вулканические частички, продукты сгорания, споры и т.д. Искусственные ядра замерзания – дымы AgI. Замерзание без ядер (спонтанное) возможно лишь при температуре -40ºС.

Дата добавления: 2014-01-04