Рост градин

Для того чтобы получить представление о процессах, приводящих к образованию градины, необходимо принять во внимание значительное число фактов. Прежде всего надо учесть размеры и кристаллическую структуру самих градин. Любая теория образования града должна объяснить их рост до 5 см в диаметре и более. Кроме того, теории должны объяснить, как образуются слои прозрачного и непрозрачного льда.

Из опыта известно, что грозы с градом отмечаются при наличии кучево-дождевых облаков с сильными вертикальными движениями воздуха. Для быстрого роста градины путем коагуляции в облаке должно быть большое количество переохлажденной воды. Это количество, называемое водностью, обычно колеблется от 0,01 до 1,0 г/м³, но в грозовых облаках водность может достигать 4-5 г/м³. Теоретически возможно содержание жидкой воды примерно 8 г/м³, но такие большие величины никогда не были измерены.

Рис. 22. Модель градобойного облака по Ф. Ладлему. Стрелки - потоки воздуха в облаке. Тонкая пунктирная линия показывает путь мелких градин, толстая пунктирная линия, переходящая в сплошную, - путь крупных градин

Другой важной особенностью грозы является характер восходящих движений. По новой теории образования града, предложенной Ф. Ладлемом, эти движения должны быть наклонными (см. рис. 22). Согласно теории, восходящие движения должны быть достаточно устойчивыми в течение 30 минут - 1 часа.

Легко показать, что в кубическом метре облака при любой грозе может вырасти очень немного крупных градин (скажем, 3 см в диаметре). В главе 6 отмечалось, что средняя по размеру облачная капелька имеет диаметр 20 микрон, тогда как средняя капля дождя достигает в поперечнике 2 мм. Поскольку объем капель пропорционален их диаметру в кубе, для образования одной дождевой капли должен объединиться миллион облачных капелек. Градина диаметром 3 см имеет объем, примерно в 10 миллиардов раз больший объема облачной капельки. Другими словами, примерно 10 миллиардов капелек должны объединиться, чтобы образовалась одна трехсантиметровая градина.

Ранее упоминалось, что в 1 см³ обычного облака содержится примерно 100 капелек. Таким образом, для образования одной трехсантиметровой градины должны быть собраны вместе облачные капельки из 100 миллионов кубических сантиметров облака. Это дает одну градину на каждые 100 м³ облака.

Такие простые подсчеты показывают, почему большие градины - в общем редкость: для их возникновения в облаке должно накопиться чрезвычайно большое количество жидкой воды, а это случается нечасто.

Теперь вернемся к рассмотрению первой стадии роста градины. Возможно, "зародышем" градины является большая капля воды, которая замерзла в то время, когда она с восходящим потоком попала в холодные области облака. Ряд исследователей считает, что "зародыш" состоит из скопления ледяных кристаллов. Исследование градин с помощью микроскопа не дало окончательного ответа на этот вопрос.

Во всяком случае, когда замерзшая частица с диаметром примерно 1 мм появляется в холодной области грозового облака, она может очень быстро вырасти за счет столкновения с переохлажденными каплями. Одно время предполагали, что переохлажденные капельки замерзают при столкновении, образуя непрозрачный лед. Такой процесс может продолжаться до тех пор, пока градина не опустится ниже уровня нулевой изотермы и лед не начнет таять, образуя слой жидкой воды. Вследствие внезапного усиления восходящего движения градина может снова попасть в холодные области облака, где вода, покрывающая градину, замерзает, образуя прозрачный лед. Затем, прежде чем градина снова упадет ниже уровня нулевой изотермы, образуется второй слой непрозрачного льда. Такие путешествия вверх и вниз через уровень нулевой изотермы могут объяснить образование слоев прозрачного и непрозрачного льда по мере роста градины.

Впоследствии некоторые положения этой теории были отвергнуты. Должно быть слишком много совпадений, чтобы градина могла то подниматься над уровнем замерзания, то падать ниже его. Кроме того, фактически наблюдаемые слои прозрачного льда слишком толсты, чтобы они могли образоваться путем замерзания тонкой пленки воды. Более того, образование слоев прозрачного и непрозрачного льда можно объяснить и не предполагая, что градина долетает до уровня, где лед тает.

Во второй теории допускается, что градина может образоваться, когда ледяная частица падает непосредственно от вершины облака до его основания. Наличие слоев прозрачного льда объясняется тем, что при накоплении слишком большого количества воды градина становится мокрой и процесс замерзания замедляется. Было найдено, что вода содержит растворенный в ней воздух. Когда вода замерзает медленно, воздух высвобождается из нее. Когда же замерзание происходит быстро, растворенный в воде воздух образует маленькие пузырьки, которые заключены внутри льда.

На первый взгляд кажется удивительным, что вода при температуре -10° С замерзает медленно. Но вспомним, что для замерзания необходимо куда-то отвести так называемую скрытую теплоту плавления, которая выделяется при замерзании воды. Каждый грамм замерзающей воды выделяет примерно 80 калорий тепла. Это тепло идет на нагревание льда и воды. Чтобы процесс замерзания шел непрерывно, тепло от градины должно уноситься воздухом. В точности такой же, но обратный по знаку эффект наблюдается при таянии льда. Лед в стакане воды тает медленно, потому что на плавление каждого грамма льда при температуре 0°С должно быть затрачено 80 калорий. Поскольку необходимое тепло поступает медленно, и само таяние идет медленно.

Когда при падении ледяная частица захватывает большое количество переохлажденной воды, быстрый отток выделяющегося при замерзании тепла становится невозможным. Температура на поверхности градины повышается, замерзание замедляется, в результате чего образуется чистый лед. Исходя из этого, образование на градине прозрачного льда можно объяснить и не предполагая, что градина должна обязательно попадать в слои с положительной температурой. Описанная картина имеет место, когда градина падает сквозь ту область облака, где велико содержание переохлажденной воды.

Если водность облака мала, падающая градина захватывает относительно небольшое количество переохлажденной воды. В этом случае замерзание может произойти быстро и воздушные пузырьки не смогут выделиться. Следовательно, когда число и размер переохлажденных облачных капелек очень малы, капельки могут замерзать почти мгновенно, образуя непрозрачный лед.

Процессом, при котором растущая ледяная частица проходит через облако только один раз, можно объяснить возникновение градин диаметром около 1 см. Для образования очень больших градин, диаметр которых превышает 3-4 см, этого уже недостаточно: за одно - прохождение сквозь облако частица не сможет захватить нужное количество воды. Растущая градина должна совершить несколько путешествий вверх и вниз. Однако - не обязательно, чтобы при подъеме и опускании растущий кусок льда проходил через уровень нулевой изотермы, как предполагалось раньше. Существенно лишь,. чтобы градина оставалась в переохлажденной части облака.