Процессы укрупнения облачных элементов и образования осадков

В последние десятилетия уделяется большое внимание исследо­ванию условий образования и укрупнения облачных элементов, с которыми тесно связан расчет интенсивности осадков. Решение этих проблем, в свою очередь, тесно связано с изучением движения атмосферы и поля ее температуры. Такая взаимосвязь и взаимо­обусловленность большого числа явлений и процессов, участвую­щих в образовании облачности и осадков, значительно осложняет решение проблемы их образования.

Остановимся на описании процесса роста облачных элементов и образования осадков с качественной стороны.

В начальной стадии развития облака, по современным представ­лениям, основную роль в укрупнении зародышевых облачных эле­ментов играет процесс конденсации водяного пара. Конденсация происходит благодаря небольшому пересыщению водяного пара по отношению к поверхности облачных капель. Особенно быстро начи­нают расти облачные элементы после того, как в облаке наряду с пе­реохлажденными каплями появляются кристаллы льда. При этих условиях начинается перегонка водяного пара с переохлажденных капель на кристаллы льда вследствие того, что давление насыщен­ного водяного пара над водой больше, чем над льдом.

Во второй стадии, после того как капли, и кристаллы льда вы­растают до г = 20... 60 мкм, преобладающую роль начинает играть процесс слияния (коагуляции) облачных элементов. Коагуляция облачных элементов обусловлена в основном различной скоростью их падения (гравитационная коагуляция). Известную роль играет коагуляция, обусловленная турбулентным и броуновским движе­нием, электростатическими силами и др. Благодаря коагуляции капли и кристаллы вырастают от десятков микрометров до неско­льких миллиметров (снежные хлопья и градины — до нескольких сантиметров).

Капли разных размеров падают под действием силы тяжести с различной скоростью, в результате чего они соударяются друг с дру­гом. Однако пока капли мелкие, их столкновение и слияние малове­роятно. С ростом капель разность скоростей падения увеличивает­ся, что обеспечивает все более благоприятные условия для их столк­новения и слияния. Теория показывает, что скорость роста капель»а счет коагуляции пропорциональна квадрату радиуса, а скорость конденсационного роста обратно пропорциональна радиусу.

Исключительно важную роль в процессе укрупнения облачных элементов и образования осадков играют вертикальные движения внутри облака.

Во-первых, при восходящем движении понижается температура воздуха, что определяет пересыщение водяного пара и конденсаци­онный рост капель до размеров, при которых активную роль начи­нает играть слияние капель.

Во-вторых, капли, поднятые на большую высоту восходящим потоком, должны при падении пройти значительную толщу облака, благодаря чему их размеры существенно возрастают за счет коагу­ляции.

Петтерсен обратил внимание еще на один эффект, который при­водит к усилению роста капель за счет конденсации водяного па­ра — эффект разности температур облачных элементов. Такие раз­ности температур возникают в результате того, что в облаке наблю­даются восходящие и нисходящие движения (струи). Капли, при­шедшие сверху, в среднем оказываются на данном уровне холоднее капель, пришедших на тот же уровень снизу. Эти разности темпера­тур невелики (десятые доли градуса Цельсия), но при высоких по­ложительных температурах (в низких широтах) они могут играть заметную роль. Если две соседние капли с одинаковым радиусом имеют температуру T₁ и Т₂ (T₁ < T₂), то давления насыщения над по­верхностью этих капель находятся в соотношении Е₁ < Е₂ . Вследст­вие этого начнется перегонка пара с теплой капли на холодную. Обозначим разность давлений водяного пара через ΔЕ_Т = Е₂ – Е₁.

На рис. 18.6 приведена кривая зависимости разности ΔЕл = Е - Ел давлений водяного пара над водой и льдом от температуры. Эта разность принимает максимальное значение

(ΔЕл) _т = 0,264 гПа при Т = -12 °С. Кривые А, В, С описывают зависимость разности ΔT

от температуры при сле­дующем фиксированном значении разности ΔЕ_Т: кривая А при ΔЕ_Т = (ΔЕл) _т, кривая В при ΔЕ_Т = (ΔЕл) _{т /2}, кривая В при

ΔЕ_Т = (ΔЕл) _т/4.

Для возникновения эффекта конденсации, сравнимого с эффек­том появления твердой фазы (кристаллов) в облаке, необходимо, чтобы разность AT была равна нескольким градусам Цельсия при низких отрицательных температурах и всего лишь долям градуса Цельсия при высоких положительных температурах. Поскольку бо­льшие разности температур в облаках не отмечаются, этот эффект не играет заметной роли в умеренных и высоких широтах, где обла­ка имеют, как правило, низкую температуру, и оказывается суще­ственным в таких широтах, где нижняя часть облаков находится в области высоких положительных температур.