Естественная кристаллизация облаков и туманов

Замерзание переохлажденных капель в облаках и туманах может происходить за счет двух механизмов, на которые было указано выше: гетерогенного и гомогенного льдообразования.

Гетерогенное льдообразование предполагает наличие особых ядер кристаллизации, которые являются подложкой для элемен­тов ледяной фазы. Природа ядер кристаллизации окончательно не установлена. Предполагается, что ими могут быть смешанные ядра конденсации, которые при низких температурах служат и ядрами замерзания. Иногда в роли ядер замерзания могут выступать частицы соли, выпавшие из раствора при его охлажде­нии. С участием ядер кристаллизации замерзание может начаться при температурах несколько ниже 0°С. Число этих ядер в атмо­сфере, по-видимому, невелико, о чем свидетельствует довольно устойчивое существование переохлажденных облаков при темпе­ратурах до –12...–15°С. Поэтому можно предположить, что основную роль в замерзании облачных капель играет гомогенное льдообразование. Л.Г. Качурин построил теорию такого замер­зания. Определим скорость кристаллизации как относительное число капель N, замерзающих в единицу времени. Относительный объем всех незамерзших капель равен , где r – радиус капель.

Если вероятность замерзания ω, то в случае монодисперсного облака скорость кристаллизации выразится формулой

. (2.18)

Интегрируя это уравнение по вре­мени от 0 до t, а по N от 0 до N, по­лучаем

. (2.19)

С учетом этого соотношения уравнение (2.18) принимает вид

. (2.20)

При неизменной температуре вероятность замерзания ωпо­стоянна. В этом случае, согласно формулам (2.19) и (2.20), с тече­нием времени (т. е. при t→ ∞) N→1, а скорость кристаллиза­ции dN / dt приближается к нулю.

Предположим теперь, что температура в облаке понижается. В этом случае, как и в предыдущем, N→1 при t→∞. Однако скорость кристаллизации ведет себя по-другому: она достигает максимума при некоторой температуре. В самом деле, первый множитель ωв правой части (2.20) при понижении Т увеличивается, а второй – экспонента – уменьшается. При таком поведении множителей произведение достигает максимума.

Максимальная вероятность образования плоских зародышей наблюдается при температуре около –12°С, а объемных – около –45°С. Скорость кристаллизации dN/dt, согласно оценкам, достигает максимума при значительно более высоких температу­рах, чем ω. Согласно расчетам, температура интенсивного за­мерзания переохлажденных капель в облаках зависит от размера капель и скорости охлаждения воздуха: чем она больше, тем выше температура замерзания. Скорость охлаждения поднимающейся в облаке воздушной частицы пропорциональна вертикальной скорости подъема этой частицы.

Кристаллизация резко ускоряется при введении в переох­лажденное облако некоторых веществ. Например, при введении йодистого серебра кристаллизация может начаться уже при –4°С. Этот эффект используется при искусственных воздействиях на облака.