Образование дождя в результате коагуляции

В кучевых облаках над тропическими областями океанов дождевые капли обычно образуются без участия ледяных кристаллов. Ледяные частицы могут находиться в воздухе над вершинами облаков, не оказывая на них никакого влияния. Над Карибским морем облака сначала появляются на высоте примерно 600 м. Их вершины растут со скоростью около 120 м/мин., и к тому времени, когда они достигают высоты 3000 м, в облаках часто содержатся дождевые капли диаметром около 500 микрон. Для жителей умеренных широт необычны ливни из облаков толщиной всего 2500 м, но такое явление часто наблюдается в тропиках. Температура у вершин подобных облаков около 7° С. Нет никаких сомнений, что в этих облаках дождевые капли возникают при процессах, в которых принимает участие только жидкая вода.

Возникает вопрос: как же образуются такие дождевые капли? Это сразу приводит к другому вопросу: бывают ли такие же явления и не в тропиках?

Мы уже говорили, что если все капельки в облаке малы и одинаковы по размерам, то облако представляет собой устойчивую систему. В этом случае все капельки падают очень медленно и с одинаковой скоростью. В результате количество столкновений капелек друг с другом невелико: понадобилось бы очень длительное время для того, чтобы слился миллион капелек.

Рис. 16. Схема роста крупной капли в результате столкновения ее с маленькими облачными капельками

С другой стороны, когда при тех же условиях в облако попадает некоторое количество капель, которые больше обычных облачных капелек, ситуация может существенно измениться. Капелька радиусом 10 микрон падает со скоростью 1 см/сек., в то время как капелька радиусом 50 микрон падает со скоростью 26 см/сек. Более крупные капли, падающие быстрее, чем облачные капельки, будут настигать их и сталкиваться с ними. Если предположить, что капельки падают по прямой линии, то можно легко вычислить число столкновений. Как показано на рис. 16, большие падающие капли "захватывают" вертикальный цилиндр, площадь поперечного сечения которого такая же, как у капли. За минуту капля падает на расстояние, которое легко вычислить, если известна скорость падения капли. Для капли радиусом 50 микрон объем "захвата"за 1 минуту должен составлять 0,1 Если в 1 см³ содержится 100 10-микронных облачных капелек, то число столкновений будет равно 0,1 см³ 100 см³. На самом деле это число больше, поскольку капельки сталкиваются и сливаются с падающей каплей, последняя увеличивается в размере, и поперечное сечение области "захвата" увеличивается. По существу, вместо цилиндра нам следовало бы вести расчет для слегка расширяющегося конуса. Но мы пренебрежем этим эффектом, поскольку он только усложняет описание.

Если бы все сталкивающиеся капельки сливались с падающей каплей, то было бы нетрудно подсчитать скорость, с которой растет большая капля. Однако при исследованиях было обнаружено, что не все столкновения ведут к слиянию. Вы, вероятно, удивитесь, если узнаете, что две капли воды могут отскакивать друг от друга, но именно это иногда происходит. Когда вы будете купаться, шлепнете по воде рукой или ногой и внимательно последите за маленькими капельками воды. Нетрудно заметить, что некоторые капельки отскакивают от поверхности воды один или два раза, прежде чем сливаются с водой бассейна.

Рис. 17. Более близкая к действительности картина движения маленьких капелек при падении крупной капли через облако

Тот факт, что не все столкновения ведут к слиянию, наиболее отчетливо выявляется при киносъемках, производимых с очень большой скоростью. При скорости съемки 7000 кадров в минуту на экране видно, что меньшие капли иногда как бы погружаются в большие, а затем отскакивают обратно, напоминая гимнаста на трамплине. Малая капля деформирует поверхность большой, не прорывая ее поверхностную пленку. Еще не вполне ясно, почему некоторые капельки ведут себя таким образом, тогда как другие просто сливаются с большими каплями. Предполагают, что от слияния их предохраняет очень тонкий слой воздуха, находящийся между двумя поверхностями воды. Опыты в лаборатории показывают, что, если капли сталкиваются в сильном электрическом поле, они в большинстве случаев сливаются. Этот факт приводит некоторых ученых к мысли, что электрические силы могут играть важную роль в процессах образования осадков.

Рис. 18. Эффективность захвата для капли радиусом 100 микрон при ее падении сквозь облако, состоящее из капелек с радиусами, указанными на нижней шкале (по И. Лэнгмюру) (при эффективности 1,0 все капли, находящиеся в цилиндрическом объеме, столкнутся с большой каплей)

Во всяком случае, ясно, что если захват капелек, изображенный на рис. 16, действительно имеет место и известна доля столкновений, ведущих к слиянию, то нетрудно рассчитать скорость роста капли, первоначальный радиус которой был 50 микрон. К сожалению, в действительности положение не так просто, как показано на рис. 16. В то время как большая капля падает, воздух впереди нее тоже движется и уносит некоторые маленькие капли. Рисунок 17 дает более правдоподобную картину. Из облачных капелек, находящихся в вырезаемом большой каплей цилиндре, одни столкнутся с большой каплей, а другие нет. Доля капелек внутри цилиндра, действительно попадающих в большую каплю, называется эффективностью столкновений. Она зависит от различных факторов, в том числе от размеров капель, а также от свойств воздуха. На рис. 18 изображена кривая, показывающая эффективность столкновений для капли радиусом 100 микрон в облаке с капельками различных размеров. Когда облачные капельки очень малы, они в основном движутся мимо большой капли. По мере того как капли увеличиваются в размере, все возрастающая часть их сталкивается с большой каплей. Для капель различных размеров получена серия кривых, подобных кривой,показанной на рис. 18.

По известной эффективности столкновений можно вычислить скорость роста больших капель. Если в кучевом облаке возникли капли диаметром 100 микрон, то они могут вырасти в дождевые капли диаметром 1 мм за 15-20 минут (если в облаке много облачных капелек). В облаках с очень маленькими капельками рост капель путем слияния происходит слабее.

Но откуда же попадают в облако большие капли? В главе 2 мы обсуждали вопрос о гигантских солевых ядрах. Эти частички соли, радиус которых в сухом состоянии больше нескольких микрон, могут обеспечить образование сравнительно редких больших капель, которые и приводят к осадкам. В этой гипотезе, впервые высказанной Ф. Ладлемом (Англия), допускается, что радиус гигантских солевых ядер может расти до 30-50 микрон только за счет одной конденсации. Кроме того, их должно быть около 100-1000 в 1 м³ - величина, сходная с концентрацией дождевых капель.

Ряд ученых указал другие возможные пути для начала слияния капель. В частности, некоторые исследователи предполагают, что притяжение в результате действия электрических сил может привести к столкновению и слиянию очень маленьких капелек, вследствие чего образуются капельки радиусом 30-50 микрон. Если это верно, то нет необходимости в наличии упомянутых выше гигантских солевых ядер.

В итоге можно с уверенностью утверждать, что в тропических кучевых облаках дождевые капли образуются путем слияния, хотя ряд деталей процесса мы изучили еще недостаточно.

Разумно предположить, что если процессы слияния эффективны в тропических облаках, то они могут оказаться эффективными и в сходных типах облаков в других районах мира. То, что это действительно так, было установлено только в последнее десятилетие.