Ядра ледяных кристаллов

Примерно 50 лет назад немецкий ученый А. Вегенер первым предположил, что определенные мельчайшие частицы в атмосфере могут вызывать образование ледяных кристаллов. Он наблюдал образование ледяных кристаллов, когда температура падала ниже точки замерзания и влажность была достаточной для насыщения воздуха. Вегенер назвал эти частицы ядрами сублимации. Он считал, что ядра сублимации действуют так же, как ядра конденсации, описанные - в главе 2. Вегенер предполагал, что вода переходит из газообразного в твердое состояние, если воздух насыщен по отношению ко льду. Что же все это значит?

В главе 3 мы познакомились с понятием "воздух, насыщенный водяным паром". Когда воздух насыщен, над поверхностью воды в закрытом сосуде содержится максимальное число молекул воды. Если с поверхности воды вырывается некоторое количество молекул, то такое же их число переходит из воздуха в воду. Давление пара в этом случае зависит только от температуры и может быть определено из хорошо известного уравнения.

Если сосуд внезапно охладить до температуры, скажем, -10° С и вода сразу замерзнет, то давление пара в воздухе на очень короткий промежуток времени останется прежним. Но у поверхности льда давление пара будет меньше, чем оно было у поверхности воды. В замерзшей воде молекулы связаны прочнее, чем в жидкой, поэтому они не могут вырываться изо льда так же легко, как из воды. В результате упругость пара над поверхностью льда окажется меньше, чем над поверхностью воды при той же температуре. Поскольку упругость пара в воздухе выше, чем у поверхности льда, молекулы водяного пара должны перемещаться в направлении льда. Эта "миграция" молекул воды будет продолжаться до тех пор, пока упругость пара в воздухе не выравнится с упругостью над поверхностью льда. Когда это состояние будет достигнуто, воздух окажется насыщенным по отношению ко льду.

Рис. 13. Изменение упругости насыщающего пара над поверхностью льда и воды. Жирная кривая показывает разность давлений над льдом и водой. Эта разность достигает максимального значения при -12° С

На рис. 13 показано давление насыщающего пара по отношению к воде и льду в определенном интервале температур. Из хода кривых можно сделать вывод, что при одинаковых температурах упругость насыщающего пара больше над поверхностью воды, чем над поверхностью льда. Этот факт крайне важен для объяснения возникновения ледяных кристаллов и снежинок.

Вернемся теперь к открытию ядер кристаллизации. Вегенер пришел к заключению, что такие частицы действуют как ядра сублимации, когда воздух, окружающий их, насыщен по отношению ко льду. После опубликования первого исследования Вегенера ряд ученых поддерживал его идеи. Другая группа исследователей на основании своих собственных работ пришла к выводу, что кристаллы редко удается получить, если не достигнуто насыщения по отношению к воде. В одной из теорий предполагается, что кристаллизация происходит тогда, когда ядро кристаллизации захватывается переохлажденной каплей воды.

Рис. 14. Среднее распределение природных ядер кристаллизации при различных температурах (штат Аризона, США)

Согласно современным представлениям, переохлажденная капля замерзнет, если она захватит частицу определенного типа. Однако на некоторых ядрах при наличии очень тонкой пленки воды, покрывающей их поверхность, ледяные кристаллы возникают непосредственно. Толщина такой пленки пока неизвестна, но есть основание считать, что на ядре должен быть слой воды толщиной примерно в пять молекул. Такой тонкий слой воды может быть даже в том случае, если воздух неполностью насыщен по отношению к воде. В условиях низких температур такая пленка может замерзнуть и стать основой, на которой могут нарастать новые слои льда. Количество ядер кристаллизации в атмосфере тесно связано с температурой. С понижением температуры все больше и больше частиц становятся ядрами. Рисунок 14 показывает, как изменяется концентрация ядер с изменением температуры, измеренной летом в штате Аризона (США). Подобные же наблюдения неоднократно проводились во многих районах мира. Не все они согласуются между собой. Эти расхождения вызываются разными причинами, и прежде всего физико-географическими различиями районов наблюдений. Кроме того, существенно различаются методы наблюдений. Тем не менее большинство наблюдений показывает, что пока температура не упадет ниже -15° С, концентрация ядер редко превышает 10 000 в 1 м³, а обычно бывает много меньше этого значения. При более низких температурах концентрация ядер увеличивается.