Результаты натурных и лабораторных исследований механизма образования града Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 551.576

РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ И ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ГРАДА

© 2014 г. Б.М. Хучунаев, С.Б. Хучунаева, А.Б. Хучунаев, Г.В. Куповых

Хучунаев Бузигит Муссаевич - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией микрофизики облаков, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, е-mail: [email protected].

Хучунаева Светлана Бузигитовна - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, отдел физики облаков, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, е-mail: [email protected].

Хучунаев Азамат Бузигитович - младший научный сотрудник, отдел физики облаков, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, е-mail: [email protected].

Куповых Геннадий Владимирович - доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой высшей математики, Институт компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета, пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская обл., 347928, е-mail: [email protected].

Khuchunaev Buzigit Mussaevich - Doctor of Physical and Mathematical Science, Senior Scientific Researcher, Head of the Laboratory of Physics of Clouds, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, Russia, e-mail: [email protected].

Khuchunaeva Svetlana Buzigitovna - Candidate of Physical and Mathematical Science, Senior Scientific Researcher, Department of Physics of Clouds, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, Russia, e-mail: [email protected].

Khuchunaev Azamat Buzigitovich - Junior Scientific Researcher, Department of Physics of Clouds, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, Russia, e-mail: [email protected].

Kupovykh Gennady Vladimirovich - Doctor of Physical and Mathematical Science, Head of High Mathematics Department, Institute of Computer Technology and Information Security of the Southern Federal University, Nekrasovsky St., 44, Taganrog, Rostov Region, 347928, Russia, e-mail: [email protected].

Приводятся результаты обобщения натурных и лабораторных исследований механизма образования града, а также концепция образования града в облаках.

Ключевые слова: капельный зародыш, крупяной зародыш, срез градин, град, элементный анализ, пузырьковый метод, механизм образования града, изотопный анализ.

Results of synthesis of natural and laboratory researches of the mechanism formation of a hail are given in work. The concept offormation of a hail is provided in clouds.

Keywords: drop germ, cereals germ, cut of hailstones, hail, element analysis, vesiculate method, mechanism of formation of a hail, isotope analysis.

Действия на градовые процессы для предотвращения или уменьшения ущерба от града направлены на изменение их естественного хода посредством внесения льдообразующих частиц и воздействия на микрофизические процессы, происходящие в градовых облаках. Для разработки надежных методов воздействия на облака необходимы достаточно полные знания об этих процессах. В данной работе приводятся результаты обобщения цикла работ, проведенных в ВГИ за последние 30 лет по натурным и лабораторным исследованиям механизма образования града.

Вкратце остановимся на основных результатах исследований, которые являются основой предложенной концепции образования града.

Результаты исследования механизма образования града на основе элементного анализа

В процессе роста градин в основном участвуют крупа и замерзшие капли. Относительно интерпретации механизма образования капельных зародышей среди специалистов нет единого мнения. Одни считают, что во всех случаях град начинает расти на крупе, а капли, встречающиеся в срезах градин в качестве зародыша, являются вторичными, образованными в результате таяния крупы или же при срыве воды с влажно-растущих градин. Нами проведены специальные исследования элементного состава зародышей и слоев естест-

венных градин, совместный анализ уровней образования капельных зародышей последних пузырьковым и изотопным методами (табл. 1 - 4).

Таблица 1

Относительное содержание элементов в зародышах градин

Тип зародыша K/Mg Al/Mg Ca/Mg Fe/Mg Zn/M g

Крупа 17,8 6,6 0,14 1,3 1,2

Капля 1,4 3,4 0,35 4,6 4,6

Таблица 2

Относительное содержание Fe и Zn в слоях и зародышах градин

Элемент Крупа Капля Сухой рост Крупа Капля Сухой рост Мокрый рост

Fe 0,09 5 0,1 0,06 3 0,006 0,04

Zn 0,04 3 0,08 0,09 3 0,01 0,02

Таблица 3

Отношение Na/K в различных слоях и зародышах градин

Дата градобития Капля Крупа Мокрый рост Сухой рост

14.09.84 г. 3,75 0,39 - 0,11

07.06.84 г. 2 0,59 0,04 0,1

31.05.86 г. 3,4 0,8 0,52 -

05.06.86 г. 7,8 - 0,002 1,1

Таблица 4

Содержание элементов в зародышах и слоях градин*10-4 г/г

Элемент Крупа Мокрый рост Капля Сухой рост

N 2,4 3,48 10,75 0,53

О 2,85 7,82 21,18 1,85

Na 3,86 0,30 16.9 0,06

Mg 1,58 0,45 7,2 0,003

А1 0,12 0,45 0,701 0,01

Si 1,22 43,96 15,03 0,026

S 0,08 0,32 1,2 3,04

Р 0,04 0,18 0,63 2,12

CI 0,21 3,34 8,72 0,87

К 0,14 1,98 1,89 0,15

Са 0,06 3,90 2,11 0,036

Cr - - 0,3 -

Fe 0,07 0,37 0,93 -

Zn 0,15 0,70 1,03 -

Анализ элементного состава зародышей и слоев градин позволяет решить некоторые вопросы, связанные с механизмом образования града. Распределение и размер частиц из различных элементов имеют свои особенности, так, хорошо известно, что частицы калия в атмосфере встречаются в виде наиболее мелких частиц, способных проникать в

наиболее высокие слои, и являются пассивной примесью, а частицы Fe, Zn в большинстве случаев - частью крупных аэрозольных частиц. Измеряя содержание различных элементов в зародышах и слоях градин, можно получить ценную информацию о механизмах их образования и, в частности, ответить на вопрос, на самом деле вторичны ли капельные зародыши?

Как видно из табл. 1, 2, наиболее тяжелые элементы в большом количестве содержатся в капельных зародышах, а также аэрозольный состав, следовательно, и аэрозольная среда, в которой они росли, сильно отличаются от среды, где растут крупяные зародыши и слои градин. Некоторый интерес представляет анализ отношения №/К, так как частицы, содержащие N8, являются активными ядрами конденсации, капли на таких частицах образуются при 75%-й влажности, а К, как отмечалось, является пассивной примесью (табл. 3).

Если бы капельные зародыши образовались в результате таяния крупы или срыва капель с мокрорастущих градин, то отношения N8^ в капельных зародышах и слоях градин не различались бы так сильно.

Это приводит нас к выводу, что капельные зародыши не образовались в результате таяния крупы или срыва капель с мокрорастущих градин.

Анализ данных табл. 4 свидетельствует, что абсолютное содержание элементов в капельных зародышах значительно больше, чем в крупяных зародышах и слоях градин. Результаты вышеприведенных исследований показывают, что относительное и абсолютное содержания N8 в капельных зародышах значительно выше, чем в крупяных зародышах и слоях градин, следовательно, основная часть капельных зародышей в исследованных процессах не могла образовываться в результате таяния крупы или срыва капель с растущих градин. Особый интерес представляет содержание С1 в зародышах и слоях градин. С.М. Шме-тер [1] отмечает, что при одних и тех же условиях в крупных каплях его больше, чем в мелких, значит, если в образовании того или иного слоя или зародыша градин участвовали крупные капли, то содержание С1 в них должно быть больше. Как видно из табл. 4, крупяные зародыши и слои сухого роста интенсивнее образовались в среде более мелких капель, чем капельные зародыши и слои мокрого роста.

Кроме капельных зародышей, во всех слоях и крупяных зародышах обнаружено содержание Ag. Если учесть то, что активные воздействия

проводились на навес радиоэха, то единственным участком облака, куда реагент Agi не мог распространиться, является зона вблизи восходящих потоков, и, вероятнее всего, капельные зародыши образовались в этих зонах.

Результаты вышеприведенных исследований свидетельствуют, что элементный состав, следовательно, и аэрозольная среда, в которой растут капельные зародыши, значительно отличаются от среды с крупяными зародышами и слоями градин, что первые в градобитиях Северного Кавказа не могли образовываться в результате срыва капель с мокрорастущих градин, а также путем таяния крупы.

Пузырьковый и изотопный методы исследования градин

Совместное использование изотопного и пузырькового методов позволяет получить дополнительную информацию для интерпретации механизма зарождения и роста града в облаках.

Основываясь на результатах изотопного и пузырькового методов, представляется возможным с учетом времени релаксации по изотопному составу определение механизма образования капельных зародышей (табл. 5).

Таблица 5

Температура образования капельных зародышей по пузырьковому и изотопному методам

Примечание. п - номер капельного зародыша градины; Бс -диаметр зародыша; ^ - температура образования капельного зародыша по пузырьковому методу; 1;2 - по изотопному методу.

Температура кристаллизации по пузырьковому методу определялась, по [2], изотопным методом по методике, описанной в [3, 4]. Степень отклонения от изотопного равновесия устанавливалась по формуле, которую приводят Джозел и др. [5]:

АВк=Вк-аБп=(Вко-Впа)е-1Лд, (1)

где АDk - отклонение изотопного состава от равновесия; Бк - изотопный состав капли на уровне кристаллизации; Бп - водяного пара; Бко - капли при 1 = 0; ^ - время релаксации по изотопному

составу; 1 - промежуток времени, в течение которого происходит отклонение изотопного состава капель.

Проведем оценку отклонения от изотопного равновесия для капли диаметром 3 мм (капля 7 в табл. 6) и 0,7 мм (капля 21) для капли минимального размера в этом градовом процессе.

Предположим, что на уровне с температурой 0 °С обе капли были в изотопном равновесии с окружающим водяным паром. В этом случае с учетом температуры кристаллизации по пузырьковому методу отклонение от изотопного равновесия этих капель происходило в температурных интервалах - 3 мм капли от 0 до -7 °С и 0,7 мм капли от 0 до -12 °С. Определяя скорость восходящих потоков по методу термиков, воспользовавшись данными установившегося падения капель, найдем промежуток времени, при котором происходило отклонение от изотопного равновесия Б; для капли 3 мм 13 = 93 с и для 0,7 мм - 100 с.

Находя Бк, Бп по изменению содержания изотопов с высотой и подставляя найденные значения в (1), получим для капли диаметром 3 мм АD3=14 и для 0,7 мм - АD0,7 = 2. При определении температуры отклонения изотопов на 14 относительных единиц формула дает ошибки более чем на 7 °С, а отклонение на 2 единицы - порядка 1 °С. Из приведенной оценки следует, что для большинства капельных зародышей градин предположение об их изотопном равновесии некорректно. Температура кристаллизации капель, определенная по изотопному методу из-за того, что система не приходит в изотопное равновесие, может быть как выше, так и ниже истинного уровня кристаллизации капельных зародышей. Если капли образовывались по механизму теплого дождя в низких слоях облака и кристаллизовались во время подъема в восходящем потоке, то температура, определенная по изотопному составу, будет выше, а во всех других случаях - ниже истинной температуры кристаллизации. При совместном анализе пузырькового строения и изотопного состава можно вычислить 5D0.

Действительно, используя то, что капля диаметром 0,7 мм находилась в изотопном равновесии и его изотопный состав 5 Б0(1)= -116 соответствует температурному уровню -12 °С (определенному по пузырьковому методу) по формуле (1), получим 5 Б0= -142. Зная 5 Б0, можно определить изотопный состав конденсата на каждом температурном уровне.

Как видно из табл. 5, из 21 исследованной капли 16 образовались ниже уровня кристаллизации,

n Dc, мм tc, °С t2, °С n Dc, мм tc, °C t2, °C

1 4 - 3,3 -26 12 2 -13 -11

2 4 - 3,2 -2,1 13 5 -3,4 -2

3 4 - 3,2 0 14 4 - 9 -7

4 6 -1 -30 15 4 - 8 -5

5 6 - 3,2 0 16 2 -10 -9

6 5 -8 - 5 17 5 - 8 -5

7 3 -7 - 3 18 1 -8,5 -8

8 4 -8 - 6 19 4 -14 -13

9 3 -9 - 7 20 4 -3,8 -3,8

10 2,4 -18 -16 21 0,7 -12 -12

11 2,4 -9 - 8

вероятно, по механизму теплого дождя, а две капли выше уровня кристаллизации - в результате модификации крупы или же по другому механизму. Три капли были в изотопном равновесии и невозможно определить, как они образовались.

Совместные использования изотопного и пузырькового методов позволяют количественно оценить вклад в образование капельных зародышей града механизма теплого дождя и других механизмов.

Результаты лабораторного моделирования образования крупы и роста града на капельных и крупяных зародышах

Лабораторное моделирование начальной стадии роста града показало, что скорость роста агрегатов кристаллов описывается эмпирической формулой Ур=12№хр (-0,25+0,12^0,37Х+0,54^), где Ур - скорость роста агрегатов кристаллов; N - концентрация кристаллов в камере; X - температура; g - водность.

С увеличением водности увеличивается скорость роста крупы. Сравнение этих результатов с ранее полученными данными свидетельствует о том, что скорость роста крупы при концентрациях кристаллов 104/м3 в два-три раза меньше, чем при концентрациях кристаллов 107 - 108 /м3. Ранее нами было получено, что изменение концентрации кристаллов с 108 до 109 м-3 не приводит к существенному увеличению скорости роста крупы.

Результаты экспериментальных исследований роста града на капельных и крупяных зародышах показывают, что рост града можно описать фор-

мулой R= Rq+

4Рл

WqA t, где R -

таком росте образуется лед плотностью 0,20,4 г/см3. При увеличении водности нижний слой градины начинает впитывать воду и коэффициент роста становится отрицательным, или же рост незначителен.

В некоторых случаях при больших водностях уменьшение радиуса градин указывает на то, что скорость не обеспечивает кристаллизацию всей воды, захваченной градиной, некоторая часть воды впитывается внутрь неё, другая часть может покинуть градину. Количество пропитанной воды соизмеримо с массой, захваченной из облачной среды.

Срезы искусственных градин показывают наличие в порах льда незакристаллизованной воды. По данным экспериментов, коагуляционный рост градин зависит от водности и от подложки, на которой происходит рост. Даже при отрицательных температурах уменьшается размер градины, что связано с таянием верхнего слоя в результате пропитки водой.

Анализ натурных исследований с учетом результатов лабораторного моделирования позволяет построить схему образования града (рисунок). На схеме можно выделить три возможных механизма образования града. Первый - образование крупяных и капельных зародышей - рост слоев. Второй - образование кристаллов-агрегатов- пропитка - крупа, параллельно образование капельных зародышей - рост слоев. Третий - образование кристаллов - агрегаты - пропитка агрегатов - кристаллизация - град.

Образование града по первому механизму -это его общепринятый механизм. По второму он образуется в две стадии. На первой в результате

первоначальный радиус градины; д - водность облака; Ж - скорость воздушного потока в камере.

При росте града на крупяных зародышах четкой зависимости между коэффициентом роста (К = Е(Я)рВ ч

=-) и водностью не на-

Рл

блюдается. Это связано с тем, что рыхлая структура, какой является крупа, при захвате крупных капель не успевает закристаллизоваться, затягивается внутрь, как в капиллярах. При маленьких вод-ностях коэффициент роста принимает значение чуть больше трёх. Это связано с тем, что при

Схема роста града: 1- первый механизм образования града; 2 - второй; 3 - третий

агрегации кристаллов в зонах с малыми скоростями восходящих потоков формируются частицы льда с малыми плотностями в виде снежных хлопьев (агрегаты кристаллов). По мере возрастания скорости таких потоков происходит пропитка снежных хлопьев облачными каплями и конденсированной влагой. Для нижней части градины она значительнее, градина становится ориентированной в восходящем потоке. Это приводит к образованию конических градин. Дальнейший их рост осуществляется в восходящем потоке в условиях влажного или мокрого режима. Некоторые градины в результате пропитки становятся источниками капель, значительная часть которых захватывается другими градинами, остальные успевают закристаллизоваться и превратиться в капельные зародыши. Основная часть последних образуется в нижних слоях по механизму теплого дождя и, двигаясь в восходящем потоке, попадает в зону роста града. Градины из капельных зародышей, как правило, имеют сферическую форму, из крупяных - наиболее часто коническую.

Третий возможный механизм образования градин аналогичен второму, но без роста слоев. При реализации второго и третьего механизмов (через агрегацию) агрегаты кристаллов имеют малую плотность, поэтому продуваются воздушными потоками, происходит конденсация и коагуляция, это приводит к значительной пропитке агрегатов из кристаллов. При нарушении скелетной структуры агрегатов роль конденсации становится незначительной и влажность в облачной среде возрастает, становится возможным дальнейший рост слоев градин во влажном и сухом режимах, т.е. реализуется второй механизм роста града. Если скелетная структура агрегатов сохраняется, происходит высушивание облачного воздуха, который приводит к испарению капель. Вода в агрегатном каркасе кристаллизируется, и образуются градины по третьему механизму. Самый быстрый рост града происходит при его реализации. При этом в начальной стадии после образования агрегатов кристаллов рост массы за счет конденсации значителен, так как агрегаты спускаются с верхних слоев атмосферы, и они продуваются потоками. Данные результаты подтверждаются экспериментами, которые проводились в закрытой трубе, где прокачивался облачный воздух через матерчатые фильтры, находящиеся друг от друга на расстоянии 5 - 7 см. Установлено, что количество во-

Поступила в редакцию_

ды, уловленное фильтрами, одинаково, это указывает на значительную роль конденсации при пропитке агрегатов кристаллов облачной водой. Реализация данного механизма приводит к уменьшению относительной влажности и к испарению капель. При реализации такого механизма капельные зародыши не образуются, градины, как губки, поглощают воду, которая впоследствии замерзает, что приводит к образованию больших бесформенных градин. Типичным примером подобной реализации является градовый процесс 05.05.1983 г. в районе г. Нальчика, максимальный диаметр градин в этом градобитии составил 60 мм.

Литература

1. Шметер С.М. О содержании хлора в воде облаков в связи с их микроструктурой // Тр. ЦАО. 1955. Вып. 9. С. 5 - 7.

2. Тлисов М.И., Экба Я.А., Хучунаев Б.М. Исследование воздушных включений в капельных зародышах градин // Тр. ВГИ. 1987. Вып. 59. С. 11 - 20.

3. ТлисовМ.И., Малкаров А.С. Измерения изотопного состава водорода градинах // Тр. ВГИ. 1989. Вып. 72. С. 121 - 129.

4. Тлисов М.И., Хучунаев Б.М., Малкаров А.С. Пузырьковые и изотопные методы исследований капельных зародышей града // Тез. Всесоюз. конф. по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы. Нальчик, 1991.

5. Jouzel I., Merlivat L., Roth E. Isotopic study of hail // I. Gophys Res. 1997. Vol. 80, № 35. Р. 5015 - 5030.

References

1. Shmeter S.M. O soderzhanii khlora v vode oblakov v sviazi s ikh mikrostrukturoi [The content of chlorine in the water clouds due to their microstructure] // Tr. CAO. 1955. Vyp. 9. S. 5 - 7.

2. Tlisov MI., Ekba Ia.A., Khuchunaev B.M. Issledovanie vozdushnykh vkliuchenii v kapel'nykh zarodyshakh gradin [The study of air inclusions in droplet nuclei hailstones] // Tr. VGI. 1987. Vyp. 59. S. 11 - 20.

3. Tlisov M.I., Malkarov A.S. Izmereniia izotopnogo sostava vodoroda v gradinakh [The measurements of the isotopic composition of hydrogen in the hailstones] // Tr. VGI. 1989. Vyp. 72. S. 121 - 129.

4. Tlisov M.I., Khuchunaev B.M., Malkarov A.S. Puzyr'kovye i izotopnye metody issledovanii kapel'nykh zarodyshei grada [Bubble and isotopic research methods droplet nuclei hail] // Tez. Vsesoiuz. konf. po aktivnym vozdeistviiam na gidrometeorologicheskie protsessy. Nal'chik, 1991.

5. Jouzel I., Merlivat L., Roth E. Isotopic study of hail // I. Geophys. Res. 1997. Vol. 80, № 35. R. 5015 - 5030.

_29 октября 2014 г