Исследования по физике жидкой фазы в льдосодержащих облаках

М С Т Е О Р О Л О Г И Я и Г И Д Р О Л О Г И Я 1993 № 1
ДИСКУССИОННЫЕ
ВОПРОСЫ
УДК 551.576.1:545.212.01-12
Исследования по физике жидкой фазы
в льдосодержащих облаках
А. Н. Невзоров
Комплексные самолетные инструментальные исследования физического
строения льдосодержаищх облаков (ЛСО) при температурах до -55'С
показали, что перманентно присутствующая в них (в том числе в
"кристаллических" облаках) жидкокапельная фракция обнаруживает все
признаки коллоидального фазового равновесия со льдом и по другим
физическим
свойствам также резко отличается от обычной
переохлажденной воды. Экспериментальные оценки физических характе­
ристик жидкой воды ЛСО (плотность 2,1—2,2 г см'^, коэффициент
преломления 1,8—1,9, энтальпия конденсации около 500 Дж г'*) относят
ее к неводородосвязанной структурной модификации НгО. Полученные
результаты содержат единую физическую основу для объяснения ряда
особенностей строения и эволюции ЛСО.
Вводные представления. Настоящее исследование* относится к рас­
пространенным в природе облакам, содержащим дисперсную ледяную фазу
и известным как смешанные и кристаллические [4]. Такие льдосодержащие облака (ЛСО) принципиально отличаются от чисто капельных
(переохлажденных) более низкой равновесной влажностью, соответству­
ющей насыщению над льдом. При наличии в облаке капель переохлаж­
денной воды фазовое равновесие спонтанно достигается в результате ее
испарения и конденсационного роста ледяных частиц (процесс Бержерона
— Финдайзена).
С!огласно расчетам [41, в типичных по всем характеристикам ЛСО
слоистых форм капельная переохлажденная вода способна полностью ис­
париться за немногие минуты. Возможность ее длительного сохранения
в облаке за счет притока водяного пара с восходящим движением уста­
новлена в [4] лишь для исключительных ситуаций и без учета про­
тиводействующего конденсационного роста льда. Поэтому полученная ра­
нее [41 высокая повторяемость по отношению ко всем ЛСО, смешанных
по фазе облаков, означающая многочасовое среднее время их жизни,
по-прежнему нуждается в объяснении. Не сняты пока вопросы, возни­
кающие в связи с наблюдениями обзернения облачных кристаллов круп­
ными (до сотни микрометров) каплями [16] и присутствия жидкой
влаги в кристаллических (перистых) облаках, в том числе при особо
низких (Г < -40°С) температурах.
Недавние массовые инструментальные наблюдения физического стро­
ения облаков отрицательных температур с помощью усовершенствованных
средств [7—9] привели к результатам, уводящим еще дальше от суще­
ствующих представлений. Обнаружено, что в исследованном температурнсни интервале О ...-55°С в ЛСО практически всегда и повсюду содержится
жидкая фаза, сравнимая по водности с ледяным компонентом и большей
частью заключенная преимущественно в каплях размером в десятки мик­
рометров (что в целом далеко не свойственно чисто капеш>ным, в том
* Основные результаты исследования предварительно изложены в [7].
55
МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1993 № I
ДИСКУССИОННЫЕ
ВОПРОСЫ
числе переохлажденным облакам [2, 4, 7—9]). Между содержанием обоих
фазовых компонентов практически неизменно наблюдается тесная прямая
пространственная корреляция [7—9].
Ключом к объяснению отмеченных особенностей могут служить данные
об относительной влажности воздуха в ЛСО. Измерения, выполненные
в [6], заслуживают особого внимания не только достигнутой точностью,
но и тем, что они проведены параллельно с нашими наблюдениями и
в широком температурном интервале. Согласно их результатам, в при­
сутствии обеих — жидкой и ледяной — фаз влажность воздуха всегда
и в пределах малой погрешности соответствует точке инея. Показательно
также описанное в [7] образование вторичного облака смешанного фа­
зового состава под нижней границей искусственно засеянного переохлаж­
денного облака, т. е. в слое с заведомым влажным недосыщением.
Таким образом, экспериментальные данные не поддерживают версию
влажного насыщения как условия существования жидкой фазы в ЛСО.
Если отвлечься от априорных концепций, то в совокупности приве­
денных фактов легко усмотреть определенную закономерность, указыва­
ющую на отличие жидкого компонента ЛСО от переохлажденной обычной
воды по крайней мере в двух свойствах. Это, во-первых, устойчивое
существование при температурах значительно ниже -40°С, как известно,
"запрещенных" для переохлажденной воды 11]. Во-вторых, широкотем­
пературное фазовое равновесие с равновесной системой лед — пар, удо­
стоверяемое полным набором соответствующих признаков (включая сви­
детельства безальтернативности конденсационного механизма укрупнения
капель).
Рассматривая возможные причины столь глубокой, регулярной и из­
бирательной по отношению к ЛСО модификации свойств облачной воды,
приходится отказаться от лежащей на поверхности версии о влиянии
растворимых примесей по причине их ничтожной в целом массовой кон­
центрации в атмосфере [4] по сравнению с капельным компонентом
ЛСО [9].
Рабочая гипотеза. При всей неортодоксальности предлагаемого нами
объяснения оно легко вписывается в определенный круг уже известных
фактов и представлений и поддается дальнейшему обоснованию, приво­
димому в последующих разделах работы.
Мы утверждаем [71, что жидкая вода ЛСО не является переохлаж­
денной водой в обычном понимании, а представляет собой отдельную
структурную (полиморфную) модификацию Н^О.
Напомним, что обычная жидкая вода обладает уникальной внутренней
структурой в виде незавершенной, в отличие от льда, объемной решетки
межмолекулярных водородных связей [1, 131. При этом мы че распо­
лагаем принципиальными основаниями для отрицания того, что полимор­
физм, присущий веществу Н^О в твердой фазе [1, 5, 131, способен
проявиться и в жидкой (в реальных условиях) фазе. Напротив, в такой
возможности убеждает эксперимент из [121, обнаруживший путем рентгеноструктурного анализа отсутствие обычной для воды и льда структуры
в жидком конденсате, предшествующем льдообразованию.
Возвращаясь к отмеченному выше фазовому равновесию в ЛСО, вспом­
ним, что ледяные частицы покрыты "квазижидкой" (в действительности
проявляющей свойства жидкой пленки) оболочкой [14, 15], или пере­
ходным слоем, физически обусловленным несимметричным обрывом во56
М Е Т Е О Р О Л О Г И Я И Г И Д Р О Л О Г И Я 1993 № I
ДИСКУССИОННЫЕ
ВОПРОСЫ
дородных связей на границе упорядоченной ледяной структуры (5, 141
и потому безусловно существующим на всей поверхности частиц при
любой температуре. Это означает, что понятие насыщающей влажности
над льдом фактически относится к его граничному переходному слою.
Равенство же насыщающей влажности над жидкими и ледяными части­
цами в ЛСО доказывает идентичность жидких субстанций капель и по­
верхностной пленки льда.
Следуя предположению Флетчера [141 о хаотичной объемной структуре
переходного слоя, а также опираясь на [121 и предваряя собственные
дальнейшие выводы [71, условимся называть рассматриваемую модифи­
кацию Н2О аморфной, или Л-водой.
Наличие контактного слоя Л-воды у границы ледяной структуры, ее
образование непосредственно перед началом отложения льда [121 позво­
ляют говорить о том, что именно .Л-вода, а не переохлажденная фаза,
как утверждают Пруппахер и Клетт [161, служит промежуточной по­
лиморфной "ступенькой" фазового перехода пар — лед в соответствии
с правилом Оствальда (см., например, [111). В то же время известно
[111, что подобные промежуточные модификации веществ способны более
или менее устойчиво сохранять самостоятельное существование в метастабильном состоянии. Таким образом, взвешенные в воздухе капли пред­
ставляют собой общую форму метастабильного • существования как пере­
охлажденной фазы, так и жидкой аморфной модификации воды.
Исходя из зависимости физических свойств вещества от его внутренней
структуры [111, в случае справедливости выдвинутой концепции следует
ожидать отличия жидкой воды ЛСО от обычной переохлажденной воды
и в иных, чем упоминалось, физических свойствах. Нам удалось получить
количественные оценки ряда характеристик .Л-воды на основе сравнения
результатов микрофизических измерений, выполненных в естественных
ЛСО различными по физическим принципам методами.
Средства и методика измерений. Использованная аппаратура само­
летного облачного микрофизического комплекса (СОМК) ЦАО в основном
охарактеризована в [7—91. Рассмотрим ряд ее особенностей примени­
тельно к данному исследованию.
Анализатор фазы и спектрометр облачных частиц АФСО основан на
информации о поляризованных составляюпщх света, рассеянного одиноч­
ными частицами под 90° из ^-поляризованного (т. е. с вектором гахляризации в плоскости рассеяния) светового пучка. Приемник 5-паля1жзованного рассеянного излучения служит для спектрометрии частиц и снаб­
жен 5-канальным импульсным амплитудным анализатором (ИАА). Рабо­
чая характеристика этого приемника для капель воды, полученная экс­
периментально и сглаженная квадратичной зависимостью, показана на
рис. 1 в виде кривой 1. На том же графике нанесены результаты расчета
относительных рабочих характеристик 1,(<1,т) ^-приемника АФСО для
непотлощающих сфер с различными коэффициентами преломления т от
1,33 до 1,90 при длине волны излучения А = 0,63 мкм (все расчеты
светорассеяния выполнены по точным формулам Ми в ИПМ РАН). Кривая
для т » 1,33 (вода) привязана к экспериментальной кривой У.
Кривая 2 на рис 1 передает зависимость /, (а) относительного среднего
отклика кристаллическс^ частицы от ее эффективного диаметра сечения
а, рассчитанную в [31 на осшюе литературных сведений о шхдя{ивзации
57
МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 19М № 1
ДИСКУССИОННЫЕ
ВОПРОСЫ
I , 0/пм.ей.
т'Е—
Рис. I. Экспериментальная и рас­
четные рабочие характеристики
1-канала АФСО.
/ — сглаженная градуироаочиав характе­
ристика для капель воды, 2 — пояуэмпирическая характеристика для кристаллов;
остальные кривые — расчетный относитель­
ный отклик (^) для сфер с различными
коэффициентами преломления т (цифры у
кривых) при X - 0,63 мкм.
И коэффициентах рассеяния под 90° ледяных кристаллов простых форм
и сфер с т = 1,33 при размерах частиц порядка десятков микрометров.
В приближении квадратичных зависимостей /, ((Г) и /, (а) взаимное по­
ложение этих кривых однозначно определяется отношением Я = ё/а раз­
меров частиц, дающих в среднем одинаковый отклик В случае капель
с т = 1,33 расчет по (3] дает Я= 1,50 ± 15%. Привязка /, (а) к экс­
периментальной рабочей характеристике / для воды через осредненное
значение Ко = 1,50 определяет базовую рабочую характеристику для
кристаллов.
Таким образом, экспериментально установленным для ИАА АФСО по­
роговым диаметром капель воды ( т. = 1,33) с?, = 30, 50, 80, 120,
180 мкм соответствуют средние (или наиболее вероятные) эффективные
диаметры сечения кристаллов а, = б/, / Ло = 20, 33, 53, 80, 120 мкм
(к - 1,
5).
В последующих рассуждениях рабочая характеристика АФСО для кри­
сталлов считается фиксированной и привязанной через Яд = 1,50 к экс­
периментальной характеристике для обычной воды (ш = 1,33), а огра­
ничения на величины т и соответственно Я и
для капель воды в
ЛСО до определенных моментов отсутствуют.
В к-м канале ИАА АФСО измеряется суммарная счетная концеитрахщя .
кристаллов с а > о, и капель с (1 > (1^, т. е.
Л^к = ^ л ( а к ) + > ^ ж № ) .
Поскольку АФСО как спектрометр не различает форму частиц, при
использовании градуировочнои шкалы для кристаллов мы получаем фун­
кцию распределения
58
МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1993 № I
ДИСКУССИОННЫЕ
ВОПРОСЫ
I . втн.ев.
Рис. 1. Экспериментальная и рас­
четные рабочие характеристики
«-канала АФСО.
у — сглаженная градумровочная характсрмстнка для капель воды, 2 — полуэмпнрическая характеристика для кристаллов;
остальные кривые — расчетный относитель­
ный отклик /1
для сфер с различными
коэффициентами преломления т (цифры у
кривых) при X " 0.63 мкм.
И коэффициентах рассеяния под 90° ледяных кристаллов простых форм
и сфер с т " 1,33 при размерах частиц порядка десятков микрометров.
В приближении квадратичных зависимостей /, (с?) и /, (о) взаимное по­
ложение этих кривых однозначно определяется отношением Л — На раз­
меров частиц, дающих в среднем одинаковый отклик В случае капель
с т "= 1,33 расчет по [3] дает Л = 1,50 ± 15%. Привязка /. (а) к экс­
периментальной рабочей характеристике / для воды через осредненное
значение
= 1,50 определяет базовую рабочую характеристику для
кристаллов.
Таким образом, экспериментально установленным для ИАА АФСО по­
роговым диаметром капель воды ( /и = 1,33)
= 30, 50, 80, 120,
180 мкм соответствуют средние (или наиболее вероятные) эффективные
диаметры сечения кристаллов =
= 20, 33, 53, 80, 120 мкм
(к - 1,
5).
В последующих рассуждениях рабочая характеристика АФСО для кри­
сталлов считается фиксированной и привязанной через Ло = 1.50 к экс­
периментальной характеристике для обычной воды ( т = 1,33), а огра­
ничения на величины т и соответственно К и с!^ для капель воды в
ЛСО до определенных моментов отсутствуют.
В к-м канале ИАА АФСО измеряется суммарная счетная концент1ШЦ1я .
кристаллов с а > а. и капель с с1> Л^, т. е.
Поскольку АФСО как спектрометр не различает форму частиц, при
использовании градуировочнои шкалы для кристаллов мы получаем фун­
кцию распределения
58
МЕТЕОРОЛОГИ» И ГИДРОЛОГИЯ 1993 № I
ДИСКУССИОННЫЕ
ВОПРОСЫ
а при переходе к плотности распределения я (а) •» -(Ш{а)/4а — усе­
ченное "приборное" распределение
п{а) = я, (а) + Ля, (Ла).
(1)
Здесь Ял (а) и п^{Л) — распределение кристаллов и капель соответ­
ственно.
Приемних деполяризованной р-составляющей рассеяния содержит им­
пульсный счетчик, выравненный по световому порогу с 1-м каналом ИАА
и обладающий пороговыми размерами частиц в, и
Согласно его по­
казаниям в натурных облаках [9], а, < а, < и (1^<(1^<(1^. Отсюда
следует, что разность
= И^- N3, где Я , == М„ (а,) + (с?р) — регист­
рируемая данным счетчиком концентрация частиц, не превосходит кон­
центрацию кристаллов с размерами от -20 до -50 мкм. Показание
ЛГ > О служит достаточным признаком присутствия в облаке ледяной
фазы [9]. Отметим также, что разность - N^ представляет собой мак­
симальную оценку концентрации капель с (1, < е1 < с1з.
Спектрометр крупныж частиц ИРЧ измеряет теневым щелевым мето­
дом непосредственно геометрические размеры часшц, для кристаллов
близкие к а 13], с нижним порогом аб«</в = 200 мкм. Согласно данным
об обзернении кристаллов [16] и многочисленным наблюдениям формы
частиц с помощью прибора РМ8-2В, жидкие капли в ЛСО практически
не достигают таких размеров.
Вопросы определения фазовых составляющих водности в ЛСО с по­
мощью измерителей полной (ИВО-П) и жидкокапельной (ИВО-Ж) вод­
ности достаточно полно освещены в [7—9]. В данном исхледовавии мы
будем иметь дело с достаточно крупными каплями, чтобы принять ко­
эффициенты улавливания датчиков обоих приборов равными единице.
Если, согласно развиваемой концепции, для жидкой воды ЛСО не о ь
храняется среднее значение теплоты парообразования
" 2580 Дж г'\
принятое при градуировке обоих приборов, то показание ИВО-Ж И^2 не
равно, но пропорционально истинной водности Ж, жидк(^ фазы. Это не
влияет на определение ледяной составляющей по фо{»<уле
Ж;, = 0,89(Ж| - Щ), где Щ — приборное показание ИВО-П.
Наконец, заслуживает детального рассмотрения информация, получа­
емая в ЛСО из сравнения величин оптического показателя ослабления
у , измеренного с помощью трансмиссиометра РП (у„зи) и рассчитанного
по показаниям спектрометров частиц АФСО и ИРЧ (Урдсч)- Правомерность
подобного расчета для кристаллов [3] следует из вышеприведшвого оп­
ределения их измеряемых (приборных) размеров а. Существенно то, что
основной вклад в расчетные значения Ур^^ч вносит, как правило, область
измеренного спектра частиц я (а), заключенная в пределах диапазона
измерений АФСО и содержания моду распределения [3]. Экстраполиро­
ванный расчетный вклад мелких частиц с а< а^, й < оказывается пре­
небрежимо малым даже в тех случаях, когда в е р а в ^ п в о
»
свидетельствует об их фактически подавляющем вкладе в величины
Уизи и У- Этим подтверждается сделанный ранее [3] вывод о режсга бимодальности спект{т частиц в ЛСО, благодаря которой величина у ес­
тественным образом разбивается на фракционные составлякшще:
ДИСКУССИОННЫЕ
МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1993 № I
1
мт
Рис. 2. Спектральная функция иска­
жений трансмиссометра РП ^Ос) в вы­
ев
ражении
= / 2^
«(*) ^^
о
ВОПРОСЫ
у = Уо + Уи + У|«- Здесь уо — вклад мо­
дальной фракции частиц с размерами
много ниже порога обнаружения АФСО,
Уи И У1ж — вклад со стороны кристаллов
и капель, учитываемых в показаниях
спектрометров и соответственно в опре­
делении Ур„,.
С учетом физических потрешностей
трансмиссометрического метода, связан­
ных с рассеянием света на частицах [2],
результат измерения может быть выра­
жен в виде
Унз»
= Со Уо + с?, у„ + С, у,„
(2)
гце Со. С,, С/ж — интегральные факторы
искажений для соответствующих фрак­
ций частиц, обусловленные спектраль­
ными функциями искажений ^((/) и
^,(а). Результат расчета ^ ( Л для РП в соответствии с [2] приведен
на рис. 2. Используя приближение ^ | ( а ) » ^ а ) при расчете эквива­
лентной "приборной" величины Ур.„ для измеренного спектра л (а), по­
лучим результат, интерпретируемый выражением
Ур«,
= С , у , + 1с7'жУ .ж.
где С7ж — фактор искажений для смещенного распределения ка­
пель Лж (Ла). определяемый как функция от а.
Нас интересует разность у„„ - ур,„, в экспериментальное значение ко­
торой фактически входят погрешности определения обеих величин. Это
основная приборная погрешность Ду „з„, а также погрешность Дур,„, обус­
ловленная рядом факторов: искажением при спектрометрии частиц, ошиб­
ками расчетной методики, неточностью учета приборных искажений РП,
наконец, несоответствием условленной, как выше, рабочей характеристи­
ки для кристаллов фактической зависимости /. (а), возможно, связанной
с формой частиц. Погрешность, вносимая последним фактором, равна
2<5ЛоО,Уи , где ЬК^ — относительное отклонение фактического значения
Л от принятого Ло - 1.50. Остальные составляющие погрешности связаны
линейной зависимостью с Ур„,. Учитывая, что в пределах некоторой не­
прерывной облачной реализации величины
и у,» (наподобие
и
И'ж в крупнокапчльных ЛСО [9]) довольно тесно коррелированы, можно
записать Аур„ч = Аурасч. где А — квазистабильиая величина в данной ре­
ализации.
Таким образом, разность В между экспериментально полученными
величинами у^^ и Ур„, принимает вид
1> = У м « - У - с ч = СоУо +
ОжУ.ж + АУчзж - *У,рмч*
(4)
Полученное соотношение связывает величину О с физическим пара­
метром жидкой фазы т , шредеяяющим приборный параметр К. Однако
воспользоваться им для оценки В. в общем виде не представляется
60
МЕТЕОРОЛОГИЯ и ГИДРОЛОГИЯ 1993 № I
ДИСКУССИОННЫЕ
ВОПРОСЫ
возможным из-за неопределенности целого ряда величин (уо, У|«, к и
др.). Решение задачи оказалось возможным только на базе использования
благоприятных особенностей микроструктуры ЛСО, выявленных в от­
дельных случаях наблюдений.
Отбор и анализ экспериментальных данных. При обработке массового
экспериментального материала, полученного в ЛСО слоистых форм 19],
обнаружились довольно частые ситуации, где на более или менее про­
тяженных облачных участках при Ж» > О разность (4) принимала отри­
цательные значения вплоть до сравнимых с у„^и по абсолютной вели­
чине. Очевидно, что в этих случаях значения уо в (4) достаточно
малы и интегральные параметры у» и Ж, определяются преимущест­
венно каплями с (1> (1,. Если бы эти капли состояли из обычной воды
с /и •= 1,33, то, по определению Я =
= 1,50, и второе слагаемое в
(4) было бы положительным (ибо согласно рис. 2 при этом
1 < О'ж^ ^(а) I ^1,5а) < 1,35), а отрицательный знак О был бы обуслов­
лен только значительной результирующей погрешностью соответствую­
щего знака. Легко видеть, что вероятность < О повышается с умень­
шением Л, а при Л < 1, т. е. т :> 1,5 (рис. 1), отрицательным становится
второе слагаемое в (4).
Таким образом, принципиальной важности вопросом в обьяснении ре­
зультата 1)< О является выбор между двумя альтернативными версиями
К> \ Л < 1. Специальный анализ комплексных экспериментальных
данных позволяет ответить на этот вопрос.
На рис. 3 представлен фрагмент обработанной облачной реализации
общей протяженностью около 70 км, на большей части которой вьтолняется условие I) < О при
> 0. Во избежание влияния динамических
погрешностей синхронные первичные данные снимались в сечениях за­
писей с нулевыми производными по времени, т. е. в плавных экстремумах
и на "площадках" записей выходных параметров приборов. На рис. 4
построены полигоны полученных парных значений (I),
и (I), У/^
для всей реализации.
Схожие картины выявлены и в ряде других случаев. Данный случай
выделяется наибольшей статистикой экспериментальных точек (свыше
200), большими значениями \о\о сравнению с Ау„зи » 0,5 км^ и до­
статочно малыми значениями ледяной водности М^, по отношению к
что вместе взятое позволяет получить наиболее определенные ре­
зультаты.
Очевидно, что нижней границе разброса значений В соответствуют
локальные данные с минимальными уд и сам знакопеременный разброс
отображает главным образом пространственные вариации у,. Зависимость
минимальных значений
от у^„ (рис. 4а) не противоречит версии
Л > 1, к > \ (4), так же как зависимость
(Жг) на рис. 46 согла­
суется с вариантом К. < 1 при существовании достаточно тесной связи
между
и у,». В последнем случае увеличение
при больших Ж2
может быть объяснено "перекачкой" части жидкой воды в мелкодиспер­
сную фракцию. Однако следует иметь в виду, что обе зависимости могут
быть обусловлены лишь одной из рассмат1гаваемых причин, тогда одна
61
МГШЗГОЛОГИЯ и ГИДРОЛОГИЯ Г993 № I
ДИСКУССИОННЫЕ
ВОПРОСЫ
25 2. км
Рис. 3. Участок реализации в облаке С$ (Узбекистан, 13 м^ла 1988 г.
13 ч 00 мин мск, 6300 м, -29°С).
ИЗ них является первичной, а другая индуцирована через фактически
имеющую место корреляцию между аргументами Жг и у^^^.
Подобная же проверка показала отсутствие заметной корреляции меж­
ду 1)„|„ и Ж,, что указывает на малость составляющей погрешности
2<5Ло Ся У\л . во всяком случае, в данном примере. Свидетельством вто­
ростепенной роли систематических погрешностей (т. е. малости к ъ (4))
служит также знакосимметричной порядка Ау„зи разброс О при Ж^ = О
(рис. 4б).
Обратимся к более основательной аргументации по проверке обеих
версий. В их общих рамках разумно предположить, что эксперименталь­
ные точки рис. 4б, прилегающие к ниспадающей ветви нижней границы
из разброса, принадлежат данным с Уо = 0. Кроме того, на основании
сказанного ранее неравенство « N^ — Л^з означает несуществен­
ное по сравнению с кристаллами присутствие капель с Л < й^. Таким
образом, в случаях, удовлетворяющих обоим названным условиям, капли
Л мм
а)
^^^-^
•
г
О <Г?^Щ4>
•
.. • •
-2
-4
1
1
1
1
1
1
1
1
1
~Г
1
1
1
1
1
1
.
1
1
1
1
.
Рис. 4. Полигоны экспериментальных точек для полной реализации по рис. 3.
в» Ау. Урасч. в) Ду, 9П,
62
МЕТЕОРОЛОГИЯ и ГИДРОЛОГИЯ 1993 № I
ДИСКУССИОННЫЕ
ВОПРОСЫ
В основном сосредоточены в п(а),п(сС} ем'*
спектральном интервале Шз,
й^), соответствующем интер­
валу (Дз, Об) приборной шка­
лы кристаллов (напомним,
что йб » г/б). Вне этого интер­
вала спектрометры АФСО и
ИРЧ воспроизводят распреде­
ление кристаллов п„ (а), лег­
ко поддающееся интерполя1ЩИ в форме сопряжения ап­
проксимирующего гамма-рас­
пределения (слева) с экспонентой [3], как показано на
рис. 5. Для анализа отбира­
лись такие случаи, ще раз­
ность п(а) - (а) = п'^(а),
кстати, мало зависящая от
точности указанной интерпо­
ляции, имела четко выражен­
ную моду внутри интервала
(из, (ц). Это, во-первых, под­
тверждало
справедливость
300а,<1 шм
только что принятых допу­ Рис. 5. К интерпретации совместных показаний
щений, во-вторых, дало воз­ спектрометров АФСО и ИРЧ в данных, отобран­
можность повысить точность ных для анализа.
в шкале размеров кристаллов спектр частиц л<в);
последующих оценок путем 2);> измеренный
алпроксимированньш и интерполированный спектр размеров
аппроксимации "приборного" кристаллов пл (<.); Л разность я (а) — Пл(в). аппроксимированнав гамма-распределением; 4} спектр капель «ж (^) я предпо­
капельного спектра и',(а) = ложении
Я « 1,50; 5) восстановленный спектр капель ^-воды.
= Кп^ (Ко) гамма-распреде­
лением (рис. 5). Индекс распределения /I подбирался из ряда значений
4, 8, 16, 32.
Из имеющегося экспериментального материала удалось отобрать лишь
И локальных выборок, удовлетворяющих поставленным требованиям при
возможно больших |Х)| по сравнению с Д у^зи и малых Щ I 1*2- В таблице
представлены узловые результаты их обработки. Все случаи, кроме по­
следнего, относятся к ситуации по рис. 3, а последний получен 21 марта
1988 г. в Сз при -28°С и фигурирует на рис. 5.
Для каждой выборки данных определены в численном виде как раз­
ность значений для спектров л (а) и п„ (а) концентрация капель
и
доля Уж в расчетном физическом значении у, приходящаяся на "прибор­
ный" капельный спектр лЦа). Пользуясь известными соотношениями для
моментов гамма-распределения [4], по этим данным и индексу /I уточ­
няем моду а„ распределения п'^(а). Очевидно, что истинное аппрок­
симированное распределение капель л , ((I) характеризуется получен­
ными значениями
п /I я модальным диаметром Й?,, = Яа,^. Дейст­
вительный вклад капельной фракции в величину показателя ослаб­
ления у равен Уж — Я^ у\) а в водность облака [4]
63
МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1993 № I
ДИСКУССИОННЫЕ
ВОПРОСЫ
Результаты обрабола! выборочных
мг м
22
40
107
48
44
39
55
33
14
84
42
-3
мг м
21
26
48
36
41
30
41
37
21
36
53
/и»
-А,
КМ-'
км
2.5
2.9
5.2
4,4
4.4
3.7
4.1
3.6
2.0
3.7
3,8
2.2
2.3
4.3
3.0
3.0
2.7
3.1
3,2
2,4
3,4
5,2
8
8
16
32
32
32
4
8
8
16
16
л"'
360
380
580
370
350
310
480
480
340
410
830
Уж
км*
6,96
7.25
13.58
9.20
8,70
7.65
10.М
9.91
6,54
9,60
15.66
^
(5)
где р — плотность воды.
Теперь предположим, что спектр и, (сГ) относится к обычной (пере­
охлажденной) воде, для которой, по определению, Я = 1,50. Бросается
в глаза, что соответствующая этому спектру кривая 4 на рис. 5 не
согласуется с начальным участком показаний ИРЧ. Далее, значения
Уж — 1^5Vж в представленных случаях в 5—10 раз превосходят макси­
мальные оценки полного показателя ослабления у — у^ + у„ равные
^Унзи согласно (2) и рис. 2. И наконец, отношение рассчитанных по (5)
значений Ж» к приборным показаниям У/г составляет от 37 до 47.
Полученные расхождения выходят далеко за пределы всех возможных
приборных и методических погрешностей, если учесть, что в рамках
сделанного предположения спектр капель
строго соответствует экс­
периментальной градуировочнои шкале АФСО. Относительно небольшой
разброс отношения Ж./Жг (около 8% по среднеквадратическому откло­
нению) по всем соображениям вполне укладывается в результирующую
случайную погрешность всех измерений, а также соответствует описан­
ному способу выделения спектра размеров капель, явно не идеального
по точности (одновременно убеждая в правомерности подобного разделе­
ния спектров кристаллов и капель в показаниях АФСО).
Замечая, что Ж^/Жг ~рЬЯ? (т.), мы имеем основание заключить, что
полученлое значительное и регулярное отличие этого отношенье от еди­
ницы означает отклонение хотя бы части из характеристик р, Ь, т
жидкой воды ЛСО (Л-воды) от известных характеристик воды, исполь­
зованных при определении Ж, и Жг. Известно [13], что при изменениях
термодинамического состояния (в том числе фазы) Н2О параметры р и
т остаются связанными между собой в соответствии с формулой Лоренц
— Лорентца
64
1 т^- 1
+ 2'
^ " РА
(6)
ДИСКУССИОННЫЕ
МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1993 № I
ВОПРОСЫ
локальных данных
От
МКМ
94
93
111
120
145
120
85
96
94
112
100
^ж
Уж
<1ш
К
П
мкм
км'
мг м'^
Дж г
0,61
0,60
0,60
0,60
0.55
0,53
0,63
0,60
0,50
0,53
0,57
54
53
64
69
83
69
49
55
54
64
58
2.30
2,40
4,48
3.04
2,87
2.52
3.37
3,27
2,16
3,17
5,17
117
121
230
158
180
131
198
172
110
164
243
463
554
538
588
586
591
534
555
492
566
567
600
680
720
790
880
760
720
650
450
650
760
В которой удельная рефракция рх" 0,206 сл'г"' является инвариантной
молекулярной характеристикой Н2О. С учетом (6) мы получаем, что
при Л г 1 условие Ж» = Ж2 выполняется только при Ь < 0,041о, где
1^ » 2500 Дж г"' » 45 кДж моль' — теплота испарения переохлажденной
воды. Сопоставление этой оценки (I, < 1,8 кДж моль') со значением
I , « 18 кДж моль', экстраполированным для Н2О из характеристик так
называемых простых жидкостей гомологаческого ряда Н28, Н28е, НгТе
(при температурах их кипения), убеждает в ее нереалистичности даже
в предположении, что Л-вода также является простой (с неводородос­
вязанной структурой) жидкостью. Тем самым получает независимое под­
тверждение выдвинутая ранее версия К< \.
Оценка физических характеристик Л-воды. Мы убедились, что нера­
венство О < I всецело определяется вторым слагаемым в (4). Для случаев,
представленных в таблице, остальные слагаемые (4) вследствие малости
мохуг быть опущены, что можно связать с погрешностью определения
О. Подставив в (4)
У^ж^^У'ж
и используя для узкого стектра капель очевидное приближение
где а„
и+2
Ож ~ 8{.Лп^)у
диаметр капель, вносящих наибольший вклад в
У\ж 14], легко выводим уравнение для определения Л:
-.иг
8
> +2 ^
-,1/1
(7)
_ Найденные из (7) значения Я (см. таблицу) в среднем составляют
0,575 при максимальш»! отклонении 12% и среднеквадратическст
отклонении 7%. Стодь тесная хруппировка данных, несмотря на значи­
тельную изменчивость величин Ур„ц и
-у^„ позволяет (щенвтъ мак­
симальную систематическую по1решностъ определения Я^1 — Я пределами
65
МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 1993 № 1
ДИСКУССИОННЫЕ
ВОПРОСЫ
разброса л . Значение = 0,575 ± 12% используется в дальнейших оцен­
ках.
Таким образом, пороги АФСО для капель А-ъош оказываются пони­
женными в сравнении с обычной водой в К^/К^^ « 2,6 раза и составляют
12, 19, 31, 46, 69 мкм. На рис. 5 кривая 5 изображает действительный
спектр размеров капель Л-воды в шкале диаметров Л. Полученные моды
с1„ = а„ указаны в таблице.
Оценка коэффициента преломления
с помощью семейства кривых
рис. 2 ограничена в точности как пределами оценки Я^, так и флуктуациями функций /, (<1,т) для монохроматического излучения, и дает
/Ид » 1,8—1,9. С помощью (6) находим ~ 2,15 ± 0,1.
В таблице приведены значения водности Ж,, рассчитанные по (5)
при р =р^^. В среднем они в 4,7 раза превосходят измеренные значения
определенные, как указывалось, для теплоты парообразования воды
Ц, » 2580 Дж г''. Последняя цифра получена как результат осреднения
суммарной удельной затраты тепла на предварительный подогрев воды
до равновесной температуры испарения и собственно испарение при этой
температуре. Учитывая это, а также погрешности определения величин
и
мы вынуждены ограничиться предварительной ориентировочной
оценкой ^д « 500 Дж г'' при близких к 0°С отрицательных температурах.
Точность этой оценки, по-видимому, не хуже -40%.
Полученная оценка в 3,5—7 раз ниже теплоты испарения обычной
воды при 0°С и в 1,5—3 раза ниже упомянутого выше результата экс­
траполяции данных для гомологического ряда соединений. Является ли
последнее различие следствием неучтенных погрешностей, либо прояв­
лением очередных уникальных свойств воды как вещества, либо свиде­
тельством наличия водородных связей в структуре жидких гидридов го­
мологов кислорода — эти вопросы еще требуют выяснения. Во всяком
случае, приведенные различия наряду с оценками энергии водородных
связей в обычной воде [1] достаточно убеждают в том, что Л-вода дей­
ствительно обладает неводородосвязанной (аморфной) структурой. Заме­
тим, что значения ее физических характеристик р, т, Ь следуют той
тенденции их изменений с разупорядочением межмолекулярной структуры
конденсированных фаз Н2О, которая берет начало с переходом от льда
к обычной воде.
Обсуждение результатов. Итак, удалось экспериментально установить,
что жидкий компонент ЛСО по фундаментальным физическим свойствам
убедительно отл.;чается от переохлажденной обычной воды, представляя
собой отдельную структурную модификацию Н2О — Л-воду с плотностью
2,1—2,2 г см'^, с коэффициентом преломления 1,8—1,9, энтальпией кон­
денсации порядка 500 Дж г'\я в фазовом равновесии со
льдом (вероятно, составляющую поверхностную пленку льда) и способную
существовать, по крайней мере, до -55°С.
Место Л-воды в энергетической иерархии фаз Н2О однозначно пред­
полагает, что ее капли могут быть только продуктом конденсации во­
дяного пара. Постулированная выше генетическая роль "пре-льда" свя­
зывает образование свободной (в каплях) Л-воды с возникновением ле­
дяной фазы в облаке. Это подтверждается наблюдениями сосуществования
66
МЕТЕОРОЛОГИЯ И ГИДРОЛОГИЯ 19!» № I
ДИСКУССИОННЫЕ
ВОПРОСЫ
относительно крупных капель с мелкодисперсной ледяной фракцией в
переохлажденном облаке [8].
В формировании фазово-дисперсного строения ЛСО определяющая роль
принадлежит легкости образования Л-воды в свободном состоянии, ее
фазовому равновесию с льдом и существенно низкой энтальпии конден­
сации. Все это физически обусловливает весьма низкое пересыщение (над
льдом) пара в ЛСО, сильную изменчивость мелкодисперсной фракции в
зависимости от притока пара, а также закономерное существование мо­
дальной крупнокапельной фракции, относительно которой пересыщение
в облаке максимально по Томсону (Кельвину).
В общем случае крупные капли Л-воды вносят значительный вклад
в микрофизические характеристики ЛСО. Согласно имеющейся статистике
[91 с соответствующей коррекцией показаний ИВО-Ж, их доля в полной
водности ЛСО составляет 75—80% (в "кристаллических" облаках при­
мерно на 5% меньше) и не зависит заметным образом от температуры.
В данных, приведенных в таблице, эта доля колеблется от 66 до 89%,
т. е. в этом плане они достаточно типичны. Судя по этим данным,
концентрация крупных капель в ЛСО в общем случае вполне сравнима
с концентрацией кристаллов
а вносимая ими доля показателя ос­
лабления Уж — с вкладом кристаллов у^ < 2у„з« - у,.
Однако основной вклад в показатель ослабления (оптическое сечение)
ЛСО чаще всего вносит мелкокапельная фрактщя. Это касается в доста­
точной степени и перистых облаков [3, 7, 9]. Представляется, что именно
резкая пространственная неоднородность мелкокапельной составляющей
Уо обусловливает характерную визуальную структуру разновидностей об­
лаков верхнего яруса, отображающую таким образом поле относительной
влажности или восходящих потоков. Вклад же в величину у крупных
кристаллов, способных сформировать полосы падения, несоизмеримо мень­
ше Уо [3].
В тех случаях, где оптические характеристики ЛСО определяются в
основном жидкими каплями, они вовсе не тождественны характеристикам
капельных (теплых и переохлажденных) облаков из-за различия в ко­
эффициенте преломления капель. Достаточно сказать, что средний ко­
синус индикатрисы рассеяния капель с т = 1,8 составляет в видимой
области спектра <со8 0 > = 0,48 для размеров 30—60 мкм и уменьшается
со снижением размеров, тогда как известные оценки [4, 10] дают
<со8б> >0,8 для капельных облаков и <со5 0> >0,7 для облачных кри­
сталлов. Очевидно, здесь содержится реальное объяснение полученного в
[10] обобщенного экспериментального результата <со8 в> < 0,5 для пе­
ристых облаков, свидетельствующего о наличии в них достаточно мел­
кокапельной фракции.
Данное обсуждение не претендует на охват всех проблем физики ЛСО,
связанных с жидкой фазой, а лишь иллюстрирует некото1№1е следствия
из полученных выше результатов.
Заключение. Хотелось бы подчеркнуть, что при всем имеющемся рас­
хождении с существующими концепциями в физике облаков приведенные
результаты и выводы имеют под собой экспериментальную основу и не
противоречат ни одному из ранее известных факте». Это позволяет на­
деяться на их подтверждение и развитие в целенаправленных исследо­
ваниях.
67
ДИСКУССИОННЫЕ
М Е Т Е О Р О Л О Г И Я И Г И Д Р О Л О Г И Я 1993 № I
ВОПРОСЫ
Автор искренне благодарен коллективу лаборатсфии физики облаков
и многим другим сотрудникам ЦАО за практическую помощь и внимание
к данному исследованию.
Литература
1 . З а ц е п и н а Г . Н . Физические свой­
ства и структура ВОДЫ. — М., Изд-во МГУ,
1987.
2. К о с а р е в Л . Л . , М а з и н И . П . ,
Невзоров А . Н . ,Шугаев В . Ф .
Оптическая плотность облаков. — Труды
ЦАО, 1976, вып. 124.
3. К о с а р е в А . Л . , М а з и н И . П . ,
Невзоров А . Н . ,Шугаев В . Ф .
Микроструктура перистых облаков. — В сб.:
Вопросы физики облаков. Л., Гидрометеоиздат, 1 9 8 6 .
4. М а з и н И . П . , Х р г и а н А . Х .
(ред.). Облака и облачная атмосфера: Спра­
вочник. — Л., Гидрометеоиздат, 1989.
5. М а э н о Н . Наука о льде. — М., Мир,
1988.
6. М е з р и н М . Ю . , М и р о н о в а
Г . В . Некоторые результаты исследования
влажности воздуха в слоистообразных обла­
ках. — Труды ЦАО, 1991, вып. 178.
7. Н е в з о р о в А . Н . Эксперименталь­
ные основы физической модели льдосодержа­
щих облаков. Деп. во ВНИИГМИ-МЦД, 1990,
№ 1037-ГМ90.
8. Н е в з о р о в А . Н . , Ш у г а е в
В . Ф . Наблюдения ранней стадии эволю­
ции ледяной фазы в переохлажденньпс об­
лаках. — Метеорология и гидрология, 1992,
№ 1.
9. Н е в з о р о в А . Н . , Ш у г а е в
В . Ф . Экспериментальные исследования
фазо-дисперсного строения облаков слоистых
форм при отрицательных температурах. —
Метеорология и гидрология, 1992, № 8.
10. Т а р а с о в а Т . А . Определение оп­
тических характеристик перистых облаков из
актинометрических наблюдений. — Известия
АН СССР. Физика атмосферы и океана,
1991. т. 27. № 9.
И . У р у с о в В . с . Теоретическая кри­
сталлохимия, — М.. Изд-во МГУ, 1987.
12. Ф и л а т о в а Б . В . , Ф и л а т о в
А . О . Влияние собственной структуры
жидкой воды на льдообразование в суспен­
зиях и перистых средах. — Коллоидный жур­
нал, 1977. т. XXXIX, вып. 6.
13.Эйзенберг Д . , Кауцман В.
Структура и свойства воды. — Л., Гидроме­
теоиздат, 1975.
14. Р 1 е » с Н е г N . Н . ТНе сНет!са1
рНу$!с$ оГ 1се. — СатЫд^е Мхйч. Ргек, 1970.
15. ^е11^пек Н. Н. О. ЫдЫй-Ике
(1гап8Шоп) 1ауег оп 1се. — I . СоПЫд апд
1п1егГасе Зсь, 1967. УО1. 25. Ыо. 2.
16. Р г и р р а с Ь е г Н . К . лпй
К1 е (( I . О . М!сгор11у$1С$ оГ с1ои(]$ лаА
ргес1р11а(10П. — О. КеМе! РиЫ. Со.. 1978.
Поступила
Центральная аэрологическая
обсерватория
10 У П | 1992
От редколлегии
На основе нач^рных самолетных экспериментов автор выдвигает ги­
потезу о существовании в слоистых облаках при отрицательных темпе­
ратурах модификации воды (так называемая Л-вода), которая находится
в конденсационном равновесии с ледяной фазой в облаках. Л-вода, по
оценкам автора, обладает уникальными свойствами: ее плотность 2,1—2,2
г/сл*', коэ(}>фициент преломления 1,8—1,9, теплота конденсации 5(Ю Дж/г.
Нище ранее о подобной модификации воды упоминаний не было.
Представленный автором материал интересен, хотя редколлегия счи­
тает, что результаты самолетных экспериментов могут быть объяснены и
без гипотезы об Л-воде. Кроме того, открытия такого рода должны быть
подтверждены. лабораторными физическими экспериментами.