авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 10 | 11 |   ...   | 13 |

«5 5 1-.V Ф ьо A. м. БО РО ВИ К О В, и. и. ГАЙ ВО РО Н СКИ Й, Е. Г. З А К, В. В. К О С Т А Р Е В, И. П. М А З И Н, В. Е ...»

-- [ Страница 9 ] --

С ейчас мож но д ать морфологическую классиф икацию х а р а к ­ тера нарастаю щ его льда, в основу которой полож ены разли чи я -В форме, структуре и степени ш ероховатости поверхности льд а [134]. Эти р азли чи я в характере обледенения мож но объяснить, ц р и н яв во внимание описываемый ниж е м еханизм обледенения.

Если тем пература воздуха достаточно низка, а облачны е капли малы, то мож но считать, что капли зам ер заю т практически мгновенно там, где они сталкиваю тся с телом, не растекаясь по •его поверхности. Т ак об разуется оптически неоднородный л ед — непрозрачны й или д а ж е белый, в котором есть воздуш ны е вклю ­ чения. П оверхность л ьд а при этом, как правило, гл ад к ая или слегка ш ероховатая. П ри более вы соких отрицательны х тем п е­ р атурах, больщ их значениях водности об лака капли зам ерзаю т относительно медленно и частично растекаю тся под действием потока воздуха по поверхности. В этом случае воздуш ны е в к л ю ­ чения лочти отсутствую т, лед прозрачен, ф орм а его сильно и с к а ­ ж е н а по сравнению с формой, обледеневаю щ его тела и поверх­ ность м ож ет быть сильно бугристой.

Р ассм отри м более д етал ьн о-п роц есс отложени'Я л ьд а на при­ мере обледенения самолетного л р о ф и л я (рис. Г20). П ри этом мы вн ачале р азб ер ем зад ач у аналитически, а затем сопоставим ее с некоторы ми экаперим ентальны м и данны м и. Д л я больш ей н а ­ глядности будем р ассм атр и в ать двум ерную зад ач у о потоке,, натекаю щ ем на кры ло со скоростью.

П ри полете кры ло сам о л ета обтекается воздуш ны м потоком таким образом, что молекулы воздуха практически не стал ки ­ ваю тся с ним. И ны ми словам и, мож но считать поток воздуха:

Рис. 120. Схема обтекания профиля крыла са­ молета воздушным потоком (тонкие линии) и облачными каплями (ж ирные линии).

в этом случае лам и н арн ы м потоком и деальн ой ж идкости. Линии?

то ка его и зо бр аж ен ы на схем атическом рис. 120 оплош ными тон ­ кими лиииями. К аи ельки ж е воды лиш ь частично отклоняются;

от п ервоначального пути з а счет в язки х сил, действую щ их на_ них со стороны потока воздуха. В силу инерции капель тр а е к ­ тории кап елек (ж ирны е линии на рис. 120) менее искривлены;

по сравнению с линиям и тока, и капли могут стал ки ваться с те ­ лом.

Е сли бы все кап л и были одинаковы х разм еров, то количество воды А т, оседаю щ ее на проф иль на участке А В в единицу в р е­ мени, было бы равно количеству воды, сод ерж ащ ем уся в объеме с сечением А 'В ' и длиной, равной скорости п олета и ^. И ны ми словам и, имело бы место равен ство 1^7—, водность о б лака.

А'В' О тнош ение - АВ го мож но н азв ать коэф ф ициентом з а х в а т а ’' ' Это определение годится, очевидно, лишь для двумерного случая, как НЭ' рис. 120, но нетрудно дать определение как локального, так и полного коэф ­ фициента зах в ата в трехмерном случае, рассм атривая отношение соответствую ­ щ их сечений трубок тока.

З Ш на у ч а с ж е А В или просто полным коэффициентом зах в ата, если А и В — крайние то'чки, на которы х происходит оседание.

А' В' п р и приближ ении точки А к В отнош ение изм еняется и стремится к определенному пределу, которы й принято н азы ­ в ать локальн ы м коэффициентом за х в а т а в точке А и обозначать или В А. Т аким образом, количество воды, оседаю щ ее за еди ­ ницу времени на м аленькой п лощ ад ке As в окрестности точки А, равн о К ак правило, м асса н ам ерзаю щ его за это врем я л ьд а меньше у казан н о й величины А т, ибо не вся осевш ая вода зам ерзает, а часть ее и сп аряется или уносится пото1 ком воздуха. М н ож и ­ тель, определяю щ ий долю зам ерзш ей воды, назы ваю т коэф ф и ­ циентом н ам ерзан и я и обозначаю т буквой р. С ледовательно, мож ио зап и сать, что интенсивность н арастан и я л ьд а I, в ы р аж ен ­ н ая в см/сек., равн а Рл Здесь Рл — плотность льда.

П он яти е коэф ф ициента за х в а т а Е^, введенное выш е, а сле­ довательно, и соотнош ение (61.1) применимы только д л я моно д и ш ер сн о го об лака. К ак будет п оказано ниже, коэф ф ициент з а ­ хв ата л зави си т от г. О днако хорош о известно, что о б л ака со­ стоят из капель разн ы х радиусов. В этом случае ф орм ул а (61.,1) остается в силе, если зам енить коэф ф ициент ^л так назы ваем ы м интегральны м коэф ф ициентом за х в а т а ^л, относящ им ся ко всему д и ап азо н у ради усов капель.

§ 62. К О Э Ф Ф И Ц И ЕН Т ЗАХВАТА Очевидно, что д л я определения необходимо знать тр а е к ­ тории капель при обтекании тел а потоком воздуха.

О братим внимание первоначально на случай, когда капли имею т равны е разм еры. И спользуем д л я этого систему коорди­ нат, ж естко связанную с телом, т. е. будем считать тел о непо­ дви ж н ы м, а среду вместе с каплям и (или другим и частицам и) — натекаю щ ей н а него с первоначальной скоростью парал­ лельной оси X.

П р и приближ ении к телу частицы стрем ятся сохранить р а в ­ номерное и прямолинейное движ ение, в то врем я к а к скорость среды начинает изм еняться. Если считать, что концентрация частиц м ал а и они не влияю т одна на другую и на вязкость или на обтекание тела потоком, то сила, дей ствую щ ая на частицу.

’ Здесь и ниже, где это особо не оговорено, речь идет о дозвуковы х ско­ ростях., 314.' зави си т только от разм еров и скорости частиц ш отношению к среде и ют вязкости иоследней. С читая поток установивш им ся, мож но зап и сать, что эта сила F р ав н а F= ( u, - uX (62.1) f где Uk{x, у, z) —^скорость частицы, а Un{x, у, z) —-скорость у ста­ новивш егося потока воздуха, обтекаю щ его тело, в точке (х, у, z ).

О бозначим через т м ассу частицы и запиш ем уравнения д в и ­ ж ен и я частицы в виде m x = Fx, triy = Fy. (62.2) Д л я нахож ден и я траектории частицы необходимо проинте­ грировать систему диф ф ерен ц иальн ы х уравнений (|02.2). В п р о ­ блеме обледенения речь идет о зах в ате м алы х сф ерических в о ­ дяны х капель. Д л я них при м алы х относительных скоростях по зак о н у С токса имеем /^д = 6 [А («п — Ик).

тт:Г (62.3) А нализ условий, при которы х сила F подчиняется закон у С токса, п риводит к заклю чению, что д л я достаточно крупных капель и больш их разностей, («п— Мк) =А ы эти условия не соблю ­ даю тся. В р аб о те [133] показано, что д л я тех скоростей д в и ж е­ ния и разм ер о в капель, с которы ми приходится встречаться при изучении обледенения сам олетов, сила F с больш ой точностью в ы р а ж ае тся соотнош ением ^ = : P o ( l + 0, 1 7 R e ^ ) = ?o'P(R e), где R e = - ^ ^ ^ — число Р ей нольдса, v — кинематический к о эф ­ фициент вязкости, а с (Re) = 1 + 0, 1 р + («у - У ) Т • (62.5) С истем а уравнений (62.S) с учето1 (i62.3), (62,4) и при пред М полож ении, что капли еф ерические, т. е. = прим ет в;

ид_ У добнее р еш ать систем у уравнений (02.6) в безразм ерном виде, п рин яв з а единицу длины характе;

рный разм ер тел а L (для 31S круглых цилиндров — его радиус, для самолетного профиля — хорду и т. д.), За единицу скорости — скорость полета и за единицу времени то — врем я п ролета участка L со скоростью и ^, т. е. Х о =. В безразм ерн ы х коорди натах ^ т = - ^ система (62.6) примет вид йЧ ' \ ( di Hi rft (62.7) d‘ ^] I / dt] где o (R e J = l + 0,1 7 R e dz + ( - f f - “,) ? (62-8) А нализ системы уравнений (62.7) позволяет получить ряд важ н ы х выводов:

1. Т раектории капель зави сят от двух характерн ы х б езр а з­ мерных величин — п ар ам етр а инерции Р и числа Reo, которые, следовательно, и являю тся критериям и подобия явления. П о ­ путно отметим, что в качестве критериев подобия могут быть приняты и другие парам етры, являю щ иеся ком бинациям и п а р а ­ метров Р и Rcq. Н априм ер, за рубеж ом ш ироко использую тся п арам етры Reo и так назы ваем ы й м асш табны й модуль я|;

=.

Z,«OQ Л. М. Л евин использует парам етры Р и Ru, где Ru = — ^— — 1 Pw ReJ число Р ейнольдса д л я тела. Л егко убедиться, что Ru = -,„ Ра io ^ где Ра, и Р д— соответственно плотности воды и воздуха.

Зн ачен ия Р и Reo зави сят от разм еров обледеневаю щ его тела L, р ади уса капель г, скорости полета и в меньшей степени от свойств среды (от вязкости воздуха р, и его плотности • р^, так как v = Ра 2. Т раектории капель разны х разм еров не пересекаю тся друг с другом. Этот вывод следует, из доказанн ой А. М. Ягл.омом и независимо от него Робинзоном [548] теоремы о сохранении н улевого в'ихря д л я потока частиц и ф ак та отсутствия источни­ ков и стоков вне обледеневаю щ его тела ['134].

3. С ущ ествует критическое значение п ар ам етр а Ркр, такое, что при Р Р к р капли воо'бще не сталкиваю тся с телом, а пол­ ностью обтекаю т его. В ы вод этого полож ения мож но найти в р аб о те Л. М. Л еви н а fll2i2]. Б олее простой вы вод излож ен в [134] на основании работы Т ейлора [®5].

Величины Ркр д л я тел просты х форм при потенциальном б ез­ отры вном обтекании приведены в т а б л. 1. П осколыку почти всегд а система (62.7) допускает только численное и н т е г р и р о в а -' ние, то расчеты коэффициентов за х в а т а, связанны е с рещ ением оистемы нелинейных диф ф еренциальны х уровней (62.7), весьм а трудоем ки. В настоящ ее врем я в наш их [1ЙЙ], [125], [133], [221] и зар у б еж н ы х [449], [27i7] исследованиях получены реш ения этой системы д л я тел просты х форм (сфер, круглы х цилиндров, плос­ ких пластин) и д л я некоторы х типов сам олетны х профилей.

В связи с тем, что д л я введения поправок при некоторы х на 'блю дениях в о б л аках (см. § 15) надо зн ать коэф ф ициент з а ­ х в ата д л я тел цилиндрической формы, на р’ с. 121 даны д и а ­ И гр ам м ы д л я расчета Е v. E q д л я цилиндров. Н а рис. ili22 и зо б р а­ ж ен а зависим ость Е от тех ж е парам етров Р и Reo, пригодная д л я ш ирокого к л ас са сам олетны х шрофилей, относительная тол­ щ ина которы х колеблется от 9 д о '1 б %. Хорош о видно, что коэф ­ фициенты за х в а т а сущ ественно увеличиваю тся с возрастани ем Р и меньш е, но тем не менее достаточно отчетливо зави сят от Reo, уб ы вая с ростом этого п ар ам етр а. П омня, что Р = - | мы видим, что Е в о зр аста ет с увеличением рад и уса капель и скорости п о лета и убы вает с ростом разм еров обледеневаю ­ щ его тела.

И - н т е г р а л ь н ы й к о э ф ф и ц и е н т з а х в а т а. Выш е мы наш ли Е при определенном значении рад и уса капель г;

в р е а л ь ­ ном ж е о б лаке присутствую т кап ли весьм а разн ооб разн ы х р а з ­ меров. П усть плотность распределени я капель по р ам ер ам есть ti{r), причем п{г) н орм ирована таким образом, что r4 {r)d r = W.

В этом сл у ч ае интенсивность н арастан и я л ьд а I м ож ет быть зап и сан а в виде / -^^p^r^(r)E,{r)dr 31 Рис. 121. Д и аграм м а зависимости коэффициента зах в ата для круглого цилиндра от параметров Р и Reo.

- полный коэффициент захвата Е, б — коэффициент захвата в критиче­ ской точке Е е, или, у м н ож ая и д ел я на W, получим W /= (62.9) Рл где г^п ( г ) л (г) d r (62.10) г^п (г) d r 2 3и 6 8Ю 2 3 if 6 810^ 2 3Ц65 2 RBq^ Рис. 122. Д и аграм м а зависимости полного коэффициента захв ата Е для крыльевых, профилей от параметров Р и Reo.

^л — т а к назы ваемы й;

интегральны й -коэффициент зах в ата, с помощью которого учиты вается к а к эф ф ект обтекания тела (^ л ), так и полидисперсность об лака [«(г)].

В гл.-II, в § 19 бы ло:п оказано, что в о б л а к а х :слоистых форм распределени е капель п о разм ер ам яв л яется-ф у н к ц и ей одного 31 характерного п ар ам етр а Гср и подчиняется простой зависим ости (1'9.3). Т ак к ак свойства воздуха ([х, p„) оказы ваю т малое влияние на коэф ф ициент за х в а т а, то мож но считать, что су­ щ ественно зави си т от трех парам етров: среднего рад и уса кап ель Гср, характерн ого р азм ер а тела L и скорости полета и ^.

Ч исленны е расчеты, вы полненны е в ЦА(0 по определению и н ­ тегрального коэф ф ициента зах в ата в носике самолетного про Рис. 123. Л окальный интегральный коэффициент зах в ата в носке самолетного профиля.

и =60 м/сек. (а), 75 м/сек. (б), 100 м/сек. (в).

со ф иля, позволили построить д и аграм м ы (рис. 123), с помощ ью которы х легко находятся, значения Ед в д и ап азон е изменения скоростей полета от 50 до ЮО м/сек., хорды п роф иля от 10 д о 500 см и Гср от 2 до lOjx.

§ 63. К О Э Ф Ф И Ц И ЕН Т Н А М ЕРЗА Н И Я Р В § 61 уж е упоминалось, что не вся вода, со д ер ж ащ аяся в каплях, сталкиваю щ ихся с самолетом, зам ер зае т при этом:

частично она и сп аряется, частично м ож ет быть сдута потоком воздуха и вообщ е унесена вм есте с воздуш ны м потоком. Н ао б о ­ рот, при низких тем п ературах капли не успеваю т растечься по поверхности, зам ер заю т мгновенно и могут об р азо в ать ячеистую структуру л ь д а с много1 исленными воздуш ны ми вклю чениями.

ч В р езу л ьтате последнего плотность л ьд а м ож ет понизиться до 0,6 г/см®, и л ед при этом становится белым, непрозрачны м.

Boinpoc о нахож дении коэф ф ициента н ам ерзан и я явл яется чрезвы чайно -сложным, и расчеты,сделанны е до настоящ его в р е ­ мени при некоторы х упрощ аю щ их предполож ениях, н уж даю тся в тщ ательной эксперим ентальной проверке.

О бозначим через м ассу воды, оседаю щ ей и а единице р а с ­ см атриваем ого участка поверхности в единицу времени, а через От;

— м ассу воды, и спаряю щ ейся с того ж е уч астка за то ж е врем я. Е сли тем пе|ратура уч астка обледеневаю щ ей поверхности -0, то будем п олагать, что водяны е капли зам ер заю т д о с та ­ точно быстро и практически не увлекаю тся потоком воздуха за пределы этого участка. В этом случае (63.1) П ри определенном количестве воды (т к р ), зам ерзаю щ ей в еди ­ ницу времени на единице площ ади, тем п ература поверхности м ож ет достигнуть нулевого зн ачен ия. Если количество оседаю ­ щ ей воды больш е Шкр, то зам ерзн ет только часть ее, остальн ая ж е часть останется в ж идком состоянии и либо и спарится с по­ верхности, либо будет унесена (сдута) потоком воздуха, либо частично м ож ет о казаться внутри н арастаю щ его слоя льд а в виде отдельны х вклю чений. Очевидно, что при /П в ткр з а м е р ­ заю щ ая часть дополнительной (сверх т ^ ) воды определяется долей «холода», соде1 ж ащ егося в этой части воды, и, сл ед о в а­ р Св= 1 к а л /г тельно, р ав н а (« в — тк р )'(0— ^ о ), где п р а д.— теплоем кость воды.

Л егко убедиться, что п ри этом коэф ф ициент н ам ерзан и я имеет вид =1 _ (i io (63.2) /Ив ' SO /T n Z С ледовательн о, д л я определения коэф ф ициента н ам ерзан ия необходимо знание так и х величин, к а к и t. Д л я этого на-до реш ить уравнение теплового -баланса обледеневаю щ ей п о ­ верхности. П редп олож и в, что отток теп ла от внутренней п оверх­ ности кр ы л а отсутствует, уравнен-ие теплового б ал ан са мож но зап и сать в виде „ 2JCp ^ ‘ 'О Ср Рй „2 \ (63.3) 2/ 21 Физика облаков в частном случае, когда количество оседаю щ ей воды = т.-е. в точности ком пенсирует испарение л ь д а с поверхности, tg находится сравнительно просто. Д ействительно, при подста а — вг ) новке в (вЗ.З) вместо величины /и ~ 0,© 2 Л исклю чаю тся а и о и уравнение ('63'.3) приним ает вид, 0,628, { % - % ) ( г, I,, (63.4) 2Уср 2/ Cj, Ро Ч Здесь а — коэф ф ициент теплоотдачи, г — коэф ф ициент вос­ становления, / — механический эквивален т тепла, Ср — теп ло­ ем кость в ш д уха гари постояннам давлении, /?о й /о — соответ ст|вен1 д а в л е н и е и тем п ература вовдуха, н0 —^температура О'бле деневаю щ ей поверхности, — скры тая теплота исп арен и я льд а лри тем пературе —'окры тая теплота зам ер зан и я воды, e't, — н асы щ аю щ ая упругость водяного п ар а соотв'етственно при тем пературе и to, и Св — соответстве|нно теплоемкости л ьд а и воды. З н а я а и г и учиты вая, что m ^ = W u ^ E, м ож но из соот­ нош ения (63.3) определить П олученное уравнение легко поддается граф ическом у реш е­ нию, результаты которого нанесены н а н ом ограм м у (рис. 124).

Опособ п ользован и я ном ограм м ой следую щ ий: от нижней го­ ризонтальной ш калы скорости (наприм ер, и ^ = 60 м/сек.) сле­ дует подняться по верти кали до кривой задан н ого г (пусть г = 0, 9 ), затем по горизонтальной прям ой следует дойти до п ере­ сечения с линией задан н ого to (наприме|р, — 10°) и, наконец, спускаясь от точки пересечения ло верти кал и вниз, на ш кал е t^ прочитать ответ, в данном случае он равен — 8,6°.

О чевидно, что при обледенении сам олетов количество оседаю ­ щей во,ды больш е испаряю щ ейся. С ледовательно, тем п ература t s, определенная по соотношению (63.4), будет ниж е фактиче окой, т а к как при этом не учиты вается приток тепла, вы званны й зам ерзан и ем дополнительной части осевш ей воды. Если пренеб­ речь кинетической энергией оседаю щ их водяны х капель, то не­ трудно убедиться, что д л я более точного определения значения tg можно воап ользоваться тож е номограмм ой (рис. Г24), если вместо и исходить из некоторой «приведенной» скорости и„, 2Лр В (1з + t o - ts) {W ~ Wj).

1 + — ------------^ = ----------------- • (63-5) Н ай д ен н ая таким образом п о п р авк а м ож ет дости гать вполне зам етной величины. Н апри м ер, п ри = 0,б, W = 0, 2 - 1 0 - ^ г/см®, = 110" см/сек. — эта по­ а = 5 - 1 0 “® кал/см ^сек.град.;

г=)1 и * п р ав ка равн оси льн а увеличению скорости более чем в д в а раза.

в том случае, когда тем п ература обледеневаю щ ей поверх­ ности /,5 0,коэф ф ициент н ам ерзан и я ап ределяется соотношением (63.1). В ы р а ж а я м ассу воды через водность из соотнош ения m = W u ^ E и п одставляя ее в (i63j1), будем иметь Wj (63.6) Рис. 124. Н омограмма для расчета критической температуры обледенения.

Д л я прим ера в табл. 7:2 п риводится р я д значений рассч и ­ танны х по ф орм уле (63.7) Ро д л я вращ аю щ егося ц илиндра диам етром 50 мм. В этой таб л и ц е приведены т а к ж е соответствую щ ие зн ач ен и я р при W = 0 ^ г/м®.

21* 32 в тех случаях,, когда водность облака: столь велика, что тем ­ п ература, обледеневаю щ ей поверхности д о сти гает: 0°,.' р опреде­ л яется по соотношению (103.2) или, в ы р а ж ая, к а к и в п ред ы д у­ щем случае, м ассу осб;

зшей В'Оды через.водность, по ^соотношению кр 1= 1 - 1 (63.8) 1 W W 80 У Здесь под W'kp понимаетсяу к а к и раньш е, та к а я м иним альная водность облака, при которой тем п ература обледеневаю щ ей по­ верхности дости гает 0°.

Л егко убедиться, что м ож ет быть получено из (63.3) после подстановки аначения ^.s=0. П ри этом (63.9) ^1 (^0 «оо- ^о) - [ta, а^ ).

где 0,628Zy gp — % Ра К, = -^ •1 ^ ’ ‘со «с». 80-f 2J „2 \ 2JCn 80 4- ^ + 0 Т аким Oi6pasoM, W kp зависит от целого р я д а п арам етров и п реж де всего от тем пературы воздуха to и скорости п олета и, к а к п оказы ваю т расчеты, в меньшей степени от д авлен и я Ро и коэф ф ициента восстановления г. К ром е того, W^p зависит от таких трудно определяем ы х величин, к а к коэф ф ициент теп лоот­ дачи а и интегральны й локальны й коэф 1 фици0нт за х в а т а ^л Следует? отметить, что зависим ость от г начинает п р о я в ­ л яться зам етны м образом при сравнительно больш их скоростях (больш е 100 м /с е к.). -Кроме того, -в тех случаях, когда и зучается обледенение в окрестности критической точки, мож но с боль­ шой точностью считать г = |1, т а к к ак в этой точке им еет место полное, торм ож ение, как, наприм ер, в критической точке к р у г­ лого цилиндра г = ‘1 д л я лю бы х чисел М ах а от 0,4 до 0,9.

Зн ачен ия функций Ki{to, и ^, ро) и KziU, ) были рассчи ­ таны практически д л я всего д и а п а зо н а возм ож ны х при полетах неокоростной авиации значений U, и ро.

Р езу л ьтаты расчетов представлены ' н а рис: 126, на котором ’ видно, % о н ри.ы,Т:0^ см /сек. относительная роль второго 324:

члена с К 2 л о сравнению с п ервы й н евелика и она все врем я ум еньш ается с пониж ением U.

Д л я определения необходимо зн ать так ж е и Об ин Еа тегральн ом коэф ф идиенте за х в а т а мы подробно говорили выш е, ® § 62, и привели диалрам м ы, позволяю щ ие определять Ел д л я цилиндров и р я д а профилей. Н а х о ж д е н и е. ж е коэф ф ициента 210" t2l0 — Рис. 125. Функции и /2 д л я расчета критического обледенения.

теплоотдачи а п ред ставляет слож ную зад ач у, рассм отрение ко ­ торой яв л яется предм етом специальны х. монографий. Ввиду больш ого прим енения обледеневаю щ их цилиндров в различны х аэрологачески х приборах, у каж ем д л я них эмпирическую з а в и ­ симость, связы ваю щ ую коэф ф ициент теплоотдачи а с числом Р ей нольдса Reo и тепло'проводнастью вовдуха Я:

a = ^ (R e o )«. (63.10) П а р ам етр ы а и п зав и ся т от числа Р ей нольдса и о!Преде ляю тся следую щ им образом.

Rco 5 —80 80—5-103 5 •'103 и выш е а 0,8 1 0,6 2 5 0, 0, 0, 0, гйб' в табл. 7i2 приведены расчеты Wi, а так ж е р при усло­ вии, что водность о б л а к а W = 0, 2 г/м®. Д л я сам олетов, н ап рим ер, типа «ЛИ-:2» (скорость 50 м /сек.) в подавляю щ ем больш инстве случаев коэф ф ициент р близок к единице при темш ературе ниж е — 3°, а при скоростях 100 м/сек.— ниж е —6°. В этом сл уч ае легко видеть, что отношение интенсивностей отлож ения л ьд а на разли чн ы х д етал я х сам о л ета будет определяться отношением соответствую щ их и нтегральны х,коэф ф ициентов зах в ата. Р асчеты п о казал и [134], что отношение интегральны х коэффициентов з а ­ хвата в лобовой кром ке цроф иля с хордой около 3 м к соответ­ ствую щ ему коэф ф ициенту за х в а та вращ аю щ егося 50-миллимет рового ц илиндра м еняется от 2,.7i5 до 3,Й5 при изменении скоро­ сти полета от ЭО до ;

100 м/сек. и среднего радиуСа капель Гср от 3,5 до 9|д,. П ри = 7 0 м/сек. и Гср = 4—^Бц, это отнош ение равн о 3,'1. Энсперимент, выполненны й при полетах на сам олете « И Л -14», п о казал, что из 12 наблю дений скорость н арастан ия л ьд а на лобовой кром ке плоскости сам о л ета превосходила ско­ рость н ар ас тан и я л ьд а на 50-м иллим етрозом в ращ аю щ ем ся ци­ линдре (О И О ) в среднем в 3 р аза. М акси м альное отклонение от этой цифры не превосходило 13%, что очень хорош о согласуется с теоретическими расчетам и.

Таблица ts'^C W i г/мЗ Ио, см /сек. Ро мб W kp г / м 4°С Гср 3 0,013 0, - 1, 1000 0, —0,3 0, 5 0,231 0, 5-10® 3 0,7 2 500 0, - 1.3 0,8 5 5 —0,3 0,023 0,354 0,8 8 — 3 0 0,0143 0,053 0, Ы 04 5 0,0082 0,1' 0, 3 0 0, 500 0,168 0,7 2 5 0,0145 0,096 0,4 2 3 — 7,8 0, 1000 1,881 0, 5 — 6,5 5 0,0061 0, 5-10® 0,9 6 3 — 7,8 0, 500 2,614 0,9 5 5 0,0113 1, -.6,5 5 0,943.

-1 3 4, 1000 0,0135 0,6 8 4 0, 5 0, - 3, 1-104 0,392 0,9 4 3 —4,5 0, 500 1,025 0,873 5 0, — 3,1 0,588 0,8 9 § 64. ОБЛЕДЕНЕНИЕ СКОРОСТНЫХ САМОЛЕТОВ В преды дущ ем п а р а г р а ф е было показано, что при скоростях п олета меньш е 100 м/сек. у ж е при —б°, к а к правило, зам ер зает вся осевш ая на сам олет вода. И ны ми словам и, при таких м алы х скоростях вы деление теп ла играет зам етную роль только при высоких отрицательны х тем пературах, близких к 0°. С п овы ш е­ нием скорости полета и ачин ает играть все больш ую роль ки н е­ тический нагрев обледеневаю щ ей поверхности;

он м ож ет вообщ е Рис. 126. Условия обледенения самолетов в зависимости от скорости полета и температуры воздуха.

привести к тому, что тем п ература поверхности превысит 0° и обледенение не образуется.

С корость полета, при которой тем п ература смоченной поверх­ ности сам олета дости гает 0°, зависит от тем пературы воздуха t и от коэф ф и ци ен та восстановления л Н а рис. 1'26 представлены р езу л ьтаты соответствую щ их расчетов п ри r = i l и г = 0,8 и д л я сравнения нанесены эксперим ентальны е данны е, полученные на основании обработки донесений эки паж ей скоростных сам оле­ тов.

Ч ерны м и кр у ж кам и помечены случаи наличия обледенения, белыми — отсутствия. Эти данны е показы ваю т, что кр и вая г = 0, определяет верхний п редел тем пературы возм ож н ого обледене­ ния при соответствую щ ей скорости полета.

К оэф ф ициент г в лобовой точ1 е проф иля, к а к п равило, равен к единице и ум еньш ается по мере удален и я от нее. Т ем пература ж е поверхности, наоборот, явл яется м аксим альной в лобовой точке проф иля и ум еньш ается по мере у д ал ен и я от нее. 'В оз­ мож ны случаи (что мож но видеть на рис. Г26), когда в лобовой точке тем п ература поверхности полож ительна, а на яекотором расстоянии от нее становится отрицательной (область м еж ду кривыми r —'l и т = 0, 8.н а рис. Ii26). Это наиболее н еж ел ател ь ­ ное явление, т а к к а к оно м ож ет привести к таком у н арастан ию льда,, которое сильно и скаж ает профиль и ухудш ает аэр о д и н а­ мические условия обтекания. Очевидно, что при подобном р а с ­ пределении тем пературы по поверхности профиля, не исклю чена возм ож н ость обледенения и в кристаллических облаках.

С ильные перегревы поверхности скоростных сам олетов отн о­ сительно воздуха п ри вод ят к весьм а больш ом у испарению. П о ­ этому д а ж е в тех случаях, когда tsG, величина м ож ет быть довольно сущ ественна и коэф ф ициент н ам ерзан ия, оп ределяе­ мый по ф орм уле (63.6), будет значительно меньш е единицы.

О б р ащ аясь к ф орм уле (63.7), мож но зап и сать гДе 7^3 = 0, ' СрРо О тлож ение л ьд а на сам ол ете при столкновении последнего с облачны ми каплям и мож ет иметь место в том, и только в том случае, когда тем п ература поверхности ^^ '0° и водность о б л а к а W W,.

В р аб о те [Ii34] показано, что при отсутствии теплоотвода внутрь кр ы л а и скоростях полета, превы ш аю щ их скорость звука,, д л я ром бовидны х и чечевицеобразны х скоростных профилей W i 0 Д г/м®. Т а к а я больш ая величина Wi вы зван а п реж д е всего малы ми значениям и и нтегральны х коэффициентов за х в а т а д л я сверхзвуковы х проф илей с заостренной передней кром кой.

С другой стороны, уж'е при звуковой скорости перегрев по­ верхности превы ш ает 30°, т. е. обледенение, если и м ож ет и м еть место, то только при тем пературе ниж е — 30°. П ри таких низких тем пературах водность о б л ака н икогда не превы ш ает 0,4 г/м®, и, таким образом, при сделанны х предполож ениях обледенение невозмож но.

§ 65. О Б Л Е Д Е Н Е Н И Е В О БЛАКА Х Р А ЗЛ И Ч Н Ы Х Ф О РМ i Р азл и чи е в ф азовом состоянии облаков при отрицательны х тем пературах о,пределяет условия обледенения в них. В переох­ лаж д ен н ы х водяны х о б лаках вероятность обледенения очень в е ^ В настоящ ем параграф е рассматривается только обледенение поршне­ вых’ не скоростных самолетов (скорость которых не превышает 300-—, 400 к м /ч ас).

л и к а — полеты в них всегда сопровож даю тся обледенением, за исклю чением тех редких сл учаев, когда водность облаков или составляю щ ие их катали очень м алы *. В смеш анны х о б л аках в е ­ роятность обледенения м ож ет быть различной и сильно зависит от того, к а к а я д о л я водности приходится на капельную часть облачны х элементов. В о б лаках СЬ, где эта д оля значительна, вероятность обледенения и интенсивность его т ак ж е велики, наоборот, в о б л аках N s—As, где водность капельн ой части з н а ­ чительно меньш е, меньш е и интенсивность и вероятность обле­ денения. Н аконец, в ледян ы х об лаках обледенение нёскоростных сам олетов практически исклю чено.

Ф азовое состояние облаков было подробно рассм отрено в гл. II, § 14, где на рис. 24 приведены данны е о повторяемости переохлаж денной водяной ф азы в зависимости от тем пературы.

К р и вая 1 на этом рисунке х арактери зует повторяем ость сущ е­ ствован ия переохлаж денн ой воды в о б л аках (к ак отдельно, так и вместе с кр и ста л л а м и ), кр и вая 2 — вероятность встретить ИСТ0 водяны е п ереохл аж ден н ы е 0|блака. В отношении о б л е д е­ Ч нения эти кри вы е'м огут р ассм атри ваться в качестве линий, о гр а­ ничиваю щ их области обязательн ого (2) и возм ож н ого ( / ) обле­ денения при разли чн ы х темпе|ратурах.

'К ак п оказано в § 62, интенсивность обледенения и характер его зави си т в первую очередь от водности и разм еров капель в облаках;

р азли чн ы х форм.

Т ак, слоисто-кучевы ё и слоисты е о б л ака по своему ф азовом у состоянию в подавляю щ ем больш инстве бы ваю т водяны м и пере рхлаж дан н ы м и, реж е см еш анны ми и крайн е редко кри сталл и чеокими. П оэтом у вероятность обледенения в них очень в ел и ка— п ревы ш ает 80-— '85%. Б л а го д а р я однородности их ф азового со­ стояния зоны обледенения в этих о б л а к ах охваты вает всю то л ­ щ ину облачного слоя.

В слое S t— Sc разм ер ы капель и водность увели'чивают1 от ся нижней их границы к верхней. С оответственно обледенение в ниж ней части, этих облаков обы чно бы вает слабы м (ОД— 0,4 мм/мин.) 2,и увеличивается по мере п о д ъ ем а к верхней ф а нице, доходя до 0,8—11,2 мм/мин., а иногда и более.

Г ори зон тальн ая протяж енность зон обледенения охваты вает всю область облаков S t— Sc с отрицательны м и тем пературам и и м ож ет быть весьм а велика. Н апри м ер, в полях Sc, об разую ­ щ ихся в однородных воздуш ны х м ассах, она м ож ет достигать ^ И ногда д а ж е при малой водности и мелких облачных каплях обледенение все ж е происходит, но образующ ийся слой льда настолько тонок, что не только не влияет на летные качества самолета, но мож ет вообще оставаться незамеченным.

^ Здесь и далее интенсивность обледенения указан а по стандартному ш аб­ лону для наблюдений над обледенением, установленному на всех самолетах зондировщ нках и части рейсовых самолетов ГВФ. Ш аблон представляет собой малую модель плоскости самолета.

1000 км. П оэтом у и з-за значительной интенсивности обледене, ния в этих о б л аках длительны й п олет в них м ож ет быть апас ным. О днако небольш ая верти кал ьн ая мош;

ность S c позволяет в случае необходимости быстро выйти из них и тем самы м и зб е­ ж а ть обледенения.

Высоко-кучевы е о б л а к а Ас хотя и весьм а близки об’ ак а м л Sic, однако в них тем пературы ниж е и поэтом у повторяем ость водяной переохлаж денной ф азы в них меньш е, а смеш анной и л е д я н о й б о л ь ш е. В связи с этим вероятность обледенения в Ас меньш е, чем в Sc, и р ав н а в среднем —60%.

3iOHa обледенения в Ас т ак ж е обычно охваты вает весь об лач ­ ный слой. О днако в некоторых, п равда редких, случаях ф азовое состояние этих облаков бы вает неоднородным,* частично см еш ан­ ным, частично капельны м, И обледенение н аб лю д ается только в капельной части облака.

В одность и разм еры кап ел ь в Ас несколько меньше, чем. в Sc, в'озрастание их -снизу вверх !выражено слабее. П оэтом у ин теноивность обледенения в Ас в среднем так ж е несколько с л а ­ бее, чем в Sc, и р ав н а 0,1—^0,4 мм/мин. внизу об л ак а и 0,4— 0,8 мм/мин. вверху сл о я облака.

Кучевы е об лака почти всегда являю тся полностью к ап ел ь ­ ными. Н о в связи с тем, что Си в основном об разую тся в теплое и переходное врем я года и довольно р ед ко в холодное, они часто в нижней части бы ваю т теплыми и только в верхней — переох­ лаж ден н ы м и. И н огда бы ваю т случаи, когда о б л ака Си целиком состоят из п ереохлаж денн ы х капель. Обычное наличие в Си теплы х зон и п ереохлаж денн ы х областей небольш ой мощности д ел ает вероятность обледенения в этих об лаках незначительной.

Толщ ина зоны возм ож ного обледенения в Си р ав н а толщ ине переохлаж денной части.

Водность и р а зм е 1 ы капель в Си (см. гл. И, §.18) возрастаю т р от ниж ней границы в глубь об лака, дости гая м акси м ум а в в ер х ­ ней трети его, причем это возрастани е в ы раж ен о резче, чем в Sc.

К ром е того, значения водности в кучевы х о б л аках больше, а капли неаколько крупнее (см. гл. II ). П оэтом у интенсивность обледенения в них так ж е больш е и в среднем р ав н а 0,4—, 0,6 мм/мин. в нижней части и 1,4—2,0 мм/мин. в верхней.

К учево-дож девы е об лака всегда имею т см еш анное ф азовое состояние. Обычно они в ниж ней части, кап ельн ы е (или преиму, щ ественно к а п е л ь н ы е ), в верхней — см еш анны е, в самой в ер х ­ н е й — ледяны е. Таким образом, в них в сегд а имеется зон а п ере­ охлаж денной ф азы, причем в ер ти кал ьн ая. мощ ность ее доста ' точно в е л и к а —^до 1,*5 км я более. С оответственно достаточно велика и вероятность обледенения в них — в среднем 65— П оскольку о б л а к а СЬ, в сущ ности, п ред ставляю т собой сле­ дую щ ий этап разви ти я С и cong., водн ость и х больш е, больш е и средние разм еры капель, а та к ж е число крупных капель. В се это определяет и больш ую интенсивность обледенения в них, : 330 ' равную в среднем 0,в—1,2 мм/мин. вн и зу,и,2—3 мм/мин. вверху, но в некоторы х случаях, при больш ой водности СЬ, она м ож ет зн ачительн о превы ш ать эти величины и доходить до 5 мм/мин.

Сильное, а иногда и очень сильное обледенение в кучевых и особенно в кучево-дож девы х об лаках д ел ает полеты в них весьм а опасны ми в отношении 'обледенения. О днако эти об лака имею т относительно небольш ую горизонтальную п ротяж ен ­ н о с т ь — от нескольких килом етров до 20— 30 км, что до некото­ рой степени ум еньш ает опасность н ар астан и я слоя л ьд а знаЧ|И тельной толщ ины, ибо сам олет п ребы вает в о б лаках всего не­ сколько минут.

Ф ронтальны е слоисто-дож девы е об л ак а Ns так ж е всегда см еш анного с т р о е н и я —(Либо во всей толщ е, либо частично — в тех случаях, ко гд а они имею т капельную (теплую й п ереохл а­ ж денную или только п ереохлаж денн ую ) нижнюю часть, см еш ан ­ н у ю — ед н ю ю и кри стал л и ч еск у ю -^в ер х н ю ю. И н огда одна из -ср эти х прослоек м ож ет отсутствовать (см. гл. V II, § 54).

С лож ность ф азового строения Ns обусловливает и своеоб­ р азн о е распределени е в них облачны х элементов и водности по вер ти кал и. Если Ns им ею т ниж ню ю капельную часть, то внизу р азм ер ы капель наибольш ие и убы ваю т с высотой, оставаясь прим ерно постоянными, но очень м алы м и в смеш анной зоне.

Е сли о б лака явл яю тся смеш анны ми у ж е снизу, то капли по всей толщ е см еш анной части мелки и водность т ак ж е убы вает от ниж ней границы к верхней.

В се эти особенности обусловливаю т и х арактер обледенения в Ns. Оно н аб лю д ается в ниж ней части, причем обычно бы вает сл'абы м (не более 0,5^—0,6 мм/мин.) и ещ е более ослабевает по м е р е подъем а в глубь об лака. О днако толщ ина зоны обледене­ ния Весьма вели ка — д ости гает 1,5—2 км и более.

В ероятн ость обледенения, если рассм атр и в ать об л ак а Ns в целом, в среднем составляет около 90%, но в их ниж ней части будет значительно больше.

Г о ри зонтальн ая протяж енность зон обледенения во ф рон­ тал ь н ы х Ns очень велика. Они п р о тяги ваю тся'вд о л ь.фронта на 1000 км и более и по норм али к ф ронту на 200—400 км. П о ­ этом у, несм отря на м алую интенсивность обледенения в N s, при п олете в них на сам олете м ож ет отлож и ться значительны й слой л ь д а. В то ж е врем я вследствие больш ой толщ ины зоны обледе­ нения в N s д л я вы хода из нее вверх часто требуется большой подъем на значительную высоту.

В ысоко-слоисты е об лака, расп рлагаю щ и еся обычно в о б л а­ сти низких тем ператур, бы ваю т либо кристаллическим и, либо см еш анны ми, и лиш ь и зр ед ка их и и ж 1няя часть яв л яется ка п е л ь ­ ной, переохлаж денн ой. П оэтом у вероятность обледенения в As м а л а —^меньш е 30%. В одность и р азм ер ы капель в них так ж е м алы, соответственно и интенсивность обледенения в As н езн а­ чительна.

s CQ CQ s a sy I a: S аз s cn E Q, 3.

Gh ^К 05 * Ю t Ю О CO.

C W 9S •e * s s H s Ю К ак у ж е у казы вал ось выше, в перисты х облаках, состоящ их из ледяны х кр и сталл о в, обледенение самолетов, не происходит.

У казанн ы е вы ш е характери сти ки обледенения в о б лаках р а з ­ личны х ф орм имеют, конечно, весьм а общий характер. В отдель­ ных о б л аках могут н аб лю д аться сущ ественные ф лю ктуации водности и спектра облачны х капель и, следовательно, к о л еб а­ ния интенсивности и х ар а к тер а обледенения.

Н а рис. Г27 хорош о видна н аб лю д авш аяся, наприм ер, при полете l'2/IV 10156 г. связь интенсивности обледенения с водно­ с т ь ю — ослабление обледенения ири уменьш ении водности и, наоборот, усиление его при росте водности.

С ущ ественное влияние на обледенение и его интенсивность о казы в ает вьш адение осадков из О'блака. Обы чно оно ведет к р езк о м у ослаблению обледенения, иногда до полного исчезно­ вения в р езу л ь т ате быстрого ум еньш ения-врдцости об лака при вы падении д о ж д я или снега. И склю чение составляю т СЬ, в ко ­ торы х осадки вы п ад аю т одновременно с интенсивным н о в о о б -' р азеван и ем облакоВ;

причем водность, их, а следовательно, и ин­ тенсивность обледенения меняю тся мало.

И склю чительно интенсивное, иногда до катастроф ического, обледенение н аб лю д ается при п олетах в зоне переохлаж денного д о ж д я, водность которого, к а к и разм еры дож девы х капель, м о­ ж ет быть весьм а велика. Это н аи бол ее опасный случай обледе­ нения, тем более, что вы ход из зоны такого.обледенения весьм а труден: вы ход вниз невозм ож ен, а вых:од вверх часто требует значительного н аб ора высоты в условиях п родолж аю щ егося ин­ тенсивного обледенения.

Гл а в а X ИСКУССТВЕННЫЕ ВО ЗДЕЙ СТВИЯ НА ОБЛАКА И ТУМАНЫ § 66. К РА ТК И Й И С Т О РИ Ч Е С К И Й О Б ЗО Р П р о б л ем а искусственного воздействия на об лака и туманы, весьм а в а ж н а я д л я практики, уж е в течение длительного в р е­ мени привлекает к себе внимание ученых во многих странах мира. О днако сл ед ует зам етить, что лиш ь сравнительно недавно науч,ные и сследования зан ял и ведущ ее полож ение в реш ении данной проблемы. Н а протяж ении многих веков явлен и я погоды обож ествляли сь и религия бы ла сущ ественным препятствием к их изучению. Т ак обстояло и с познанием таких сл ож н ы х я в л е ­ ний, к а к образован ие облаков и осадков, грозы и гр ад а. И п о зд ­ нее, с раввитием основ физической науки, недостаточный уровень знаний физики облаков и осадков часто приводил к н еп рави ль­ ным п редставлениям о средствах и м етодах искусственного воз­ действия на них. В связи с этим долгое врем я не было сколько нибудь зам етн ы х успехов в этой области, что п орож д ало неверие в возм ож ность реш ения данной проблем ы.

Д о лго е в р ем я п редполагалось, что кратковрем енны е, но силь­ ные звуки способствую т укрупнению облачны х капель. В связи с этим в разн ое врем я в дореволю ционной России, СШ А, Новой Зелан д и и и других странах д ел ал и сь попы тки вы звать осадки путем обстрела облаков. А м ериканский инж енер П ау эр с д а ж е сд ел ал попытку теоретически обосновать этот метод в своей книге «В ойна и погода», изданной в li871 г. И м был проведен т ак ж е р яд опытов по вы зы ванию осадков данны м методом. Хотя при некоторы х из «и х вы п ад ал дож д ь, тем не менее не было д о ­ казател ьств того, что он был резул ьтатом воздействия. П редп о­ л агал и так ж е, что сильные пож ары стимулирую т об разован ие дож дя.

Н екоторы е ученые вы двигали идею локальн ого охлаж ден и я атм осф еры с помощью ж идкого воздуха или твердой углекис­ лоты, п ред полагая, что сильное охлаж ден и е в озд уха будет спо­ собствовать конденсации водяного п а р а, образованию об лаков и выпадению из них осадков. В р я д е ст!ран проводились т ак ж е опыты по еовдействию н а о б л а к а путем -рассеивания в них деска.

Авторы этих опытов п ред п ол агал и, что песчияки могут служ и ть центрам и конденсации или- кри сталли вац ии, 'вывывая ф азовое п р ео б р азо ван и е облака. В озни кла та к ж е идея, что введение песчинок у скоряет п роцесс грави тац ион н ой коагуляци и облачны х капель. Д л я усиления эф ф ек та коагуляци и пеачиики за р я ж а л и до некоторого потенциала. В 19i21 г. -в С С С Р iB. И. В иткевич провел первы е лабораторны 'е опыты воздействия заряж ен н ы м песком.

Эти опыты м ож но считать н ач ал ом р а б о т в наш ей стр ан е в о б ­ л асти «акусствйнны х воздействий. -Несколько повж е теорети ­ ческие основы этого 1 етода были намечены Б. П. Вейнбдргом м и Н. А. Б у л гако вы м рЭ], [i34].

Р азв и ти е авиации в значительной мере стим улировало р а ­ боты в области активны х воздействий. В Герм ании К- В егенером бы ла сдел ан а п опы тка воздействия на о б л ака с сам олета с п о ­ мощ ью ж идкого воздуха. О дн ако и з-за низкого потолка полета сам о л ета рассеяни е ж идкого в о зд у х а произво-дилось в нижней части об лака, где, по-видимому, тем п ература бы ла выш е 0°, что исклю чало возм ож ность эф ф екта воздействия. Н есколько позж е, в li93i г., в Г олландии Ф ераартом были проведены четыре успеш ных опыта по воздействию на о б л ака с помощью сухого л ьд а и его смеси с водным льдом. О днако научно обосновать свои опыты Ф ер аар ту не удалось.

Н еобходимо зам ети ть, что прим енение х л ад ореаген т-ов,так ж е к ак и использование других способов в-оздействий, не имело тогда достаточного физического обоснования, а сведения о ф и­ зи ке облаков и осадков были ещ е недостаточными д л я успеш ­ ной орган и зац ии так и х работ. И сследовани ям и Б ер ж ер о н а в 1933 г. [276] и Ф индайзена [3158] было п олож ен о н ачало совре­ менному физическом у объяснению процессов об разован и я осад ­ ков. Б ы ло показано, что в об разован ии последних весьм а сущ е­ ственное значение имеет наличие кристаллической ф азы в об-, лаке. Э та и дея о к а за л а позднее весьм а зн ачительн ое влияни е на р азви тие экспериментов по искусственным- воздействиям.

Значительны м этаном в проблем е аокуоственны х в о зд е й ­ ствий на о б л ак а и тум аны явились исследования, проведенны е в. наш ей стране. Е щ е в 1901' г. на Всесою зной конференции по борьбе -с засу х о й бы ло принято реш ение об организации И нсти­ тута искусственного д о ж д я. И нститут был созд ан в М оскве с -филиалами в Л ен и нграде, О дессе и А ш хабаде, которы е со о т­ ветственно воз'главлялись В. Н. О боленским, М. А. Аганиным и В. А. Ф едосеевым. П оздн ее центром исследовательских работ в С С С Р в области искусственны х воздействий стал Л И Э М — Л ен и нградский институт эксперим ентальной метеорологии, воз­ главл явш и й ся В. Н. О боленским. В м есте со своими учениками О боленский провёл ш ирокий ком плекс исследований в области ф изики облаков и тум анов и искусственны х воздействий на них.

Б ы ли испытаны разли чн ы е методы воздействий на об лака, вклю чая: а) вы сокочастотны е разряды, б) ионные потоки, в) з а ­ ряж енны й и н езаряж ен н ы й песок, г) хлористый кальций, д) разм ельченны й лед. ' Д л я воздействия вы сокочастотны ми р азр я д а м и был создан генератор с 10100 периодам и в секунду и мощ ностью в 10 квт.

Опыты с ним.показали, что при высокой влаж ности окруж аю ­ щего воздуха р аб о та его в течение нескольких минут способ­ ствует укрупнению о.блаЧ|Ных капель. О днако н аблю далось в ы ­ падение лищ ь редкой мороси, причем только вблизи устано1 ки. В С помощью ионного ген ератора созд авалось униполярно з а р я ­ женное облако с концентрацией 106 ионов/см®, которое мощ ным вентилятором подним алось на некоторую высоту. Это обусловли­ вал о в некотором небольщ ом объеме тум ан а зар я ж ен и е капель, частичное их укрупнение и вы иадение близ установки. Д л я иони­ зации воздуха бы ла так ж е использован а рентгеновская у ста­ новка. Опыты В. А. С оловьева, Г. И. П р у ссак о ва, Ю. Г. Б о р и ­ сова п оказали, что в помощ ью рентгеновской установки проис­ ходит зам етн ая ионизация атм осф ерного воздуха, а затем под действием электрического поля Зем ли — р азд елени е ионов, что способствует созданию довольно значительны х объемны х з а р я ­ дов. В некоторы х опытах было зам ечено, что когда кучевы е об­ л а к а проходят н ад установкой, она создает благоприятны е усло­ вия д л я их рассеяния.

В о.пытах Л И Э М -с введением измельченного пресного льда (26— 30 кг) в кучевы е об лака стави лась за д а ч а воспроизвести естественный процесс об разован и я осадков. П ри этом н аб л ю д а­ лось частичное рассеян и е облаков, но без вы падения осадков.

М ож но п олагать, конечно, что количество и разме|ры вводимы х льдинок не соответствовали таковы м при естественном процессе об р азо ван и я осадков.

: В опытах е применением о'бычного заряж ен н ого песка так ж е не уд алось получить сущ ественных результатов. В оздействие песком производилось только на кучевые об лака, в которы х и з­ редка после ЭТОГО наблю дали сь просветы и полосы падения.

П. Н. К расиков провел опыты по воздействию с помощ ью хло­ ристого кальц ия, обладаю щ его больш ой гигроскопичностью.

С аС Ь вводили к а к с зем ли (в горных усл ови ях), так и с сам о­ лета, откуда iO сб расы вал ся в значительном количестве в р а з ­ H дробленном виде в кучевы е о б л ака ц р и полож ительны х тем п е­ рату р ах..В этих опытах наблю далось частичное, а иногда и полное рассеяни е облаков. С лед ует 1 етить, что в ряд е других зам стр ан (во Ф ранции, Японии, СШ А и д р.) д елали сь такж е, п о­ пытки.воздействия на о б л а к а. О днако полученные в этих опытах результаты не им ели практического значения.

И сследования, ироведенны е в Л И Э М, отличались от зару беж 1 ных во многих отнощ енйях. В о-первы х, н а р я д у с ш ирокими эксперим ентальны м и работам и там бы ли проведены В. Н. О бо­ ленским и В. В. Б ази леви чем весьм а в аж н ы е теоретические ис следован и я в отношении конденсации водяного п а р а и. к о а гу л я ­ ции облачны х элем ентов. Эти работы имели 'сущ ественное зн а ­ чение д л я обоснования различны х экспериментов. Во-вторых, в опытах был использован ш ирокий ком плекс различны х р е а ­ гентов. В -третьих, п арал л ел ьн о с исследованиям и п а и скусствен ­ ным воздействиям там пррво'дились л аб ораторн ы е и полевые исследования в области физики облаков и тум анов, в частности, во врем я р я д а опециальны х экспедиций в 1934— 1935 гг. в г о р ­ ные районы (на Г агринском хреб те).

Т аким образом, работы Л И З М явились весьм а важ н ы м в к л а ­ дом советских ученых в разви ти е эксперим ентальной м етеоро­ логии. Хотя при этом ещ е не было р азр а б о та н о практических и н адеж н ы х методов искусственны х воздействий на о б л ака и ту ­ маны, но были созданы научны е предпосы лки д л я дальнейш его р азв и т и я так и х методов. К сож алению, война п р ервал а эти р а ­ боты.

В послевоенные годы и сследован и я в области искусственны х воздействий на об л ак а и- тум аны бы ли н ачаты почти одновре­ менно во многих странах м и р а — в ОООР, С Ш А, Ф ранции, И т а ­ ли и, А встралии и д ругих стран ах. П ри этом на новом этапе и сследован и й изм енились ф изические представлен и я об и скусст­ венны х воздействиях на о б л а к а и тум аны. П р еж д е всего был ис в о л ьзо в ан принцип искусственного изм енения ф азового состояния м икроструктуры облаков и тум анов в соответствии с уп ом ян у­ тыми выш е идеям и Берж ерона-—Ф индайзена. В этой связи д а н ­ ны е Ш еф ера и В оннегата [59, 563, 566, 607] о льдоЪ бразую щ их свойствах твердой углекислоты и некоторы х иодистых соеди н е­ ний, -особенно A g J, о к а зал и сь полезны м и при р а зр а б о т к е со в р е­ менны х м етодов иокусственного воздействия. iB н асто я щ ее врем я т в ер д ая углекислота и и'одистое серебро являю тся основными р еаген там и при воздействиях на п ереохлаж денн ы е о б л ака -и ту ­ м ан ы. Э ф ф екти вность этих реаген тов в есьм а - вел и ка. С огласно расчетам Е. К. Ф едорова Р 09], при введении в п ереохлаж денн ое юбла1 200 г СОг п реобразуется 'Из ж и д кого состояния в твердое ко,до ЮОО т В'ОДЫ с вы делением около 10" кал. теп л а к р и ста л ­ л и зац и и.

Т аким 'Образом, срав'нительно небольш им количеством у к а ­ з а н н ы х реаген тов мож но в ы зв ать в о б л аках процессы -крупного м асш таба и н ап р ав л ять их в ж елательн ую сторону. С ледует под •черкнуть, что п о ка такие 'Процессы уд ается вы зы вать только Б п ереохлаж денн ы х о б л а к ах и тум анах. О днако и пр'И этом в о з ­ м о ж н о реш ение некоторы х вопросов, имею щ их больш ое науч ное, и практическое значение. О собенно в аж н ы м яв л яется прин д и п и ал ь н а я возм ож ность управлен ия таким и процессам и погоды, которы е соп р о вож д аю тся вы делением значительной энергии.

В CGGP инициаторам и в постановке и сслед ован и й в этой об ласти явились научны е учреж дения Гидрометеорологической служ бы. Т ак, в '1947 г. в Ц ентральн ом институте 'прогнозов 22 Физика облаков 33 в. в. (Пиотрович сд елал.первые л аб ораторн ы е опыты по р ассея­ нию п ер ео х л аж девн ого водного тум ана твердой углекислотой.

В том ж е году в Г лавной геофизической обсерватории с участием Б. В. К ирю хина и В. Л. Гаевского были начаты опыты по воздействию на естественные об лака с помощ ью твер­ дой углекислоты. В и сследую щ ие годы в ГГО аналогичны е полевы е опыты, проводивш иеся под руководством В. Я- Н и канд р о в а и А. П. Ч у в аев а [1204, 23l5, 2i38], бы ли посвящ ены в осн ов­ ном воздействиям 1 а кучевы е об лака и вы зы ванию и з них 01сад н ков. в. Я- Н икандров [162] провел и некоторы е теоретические и сследования о м ехан изм е д ействия твердой углекислоты, о в о з­ никновении кри сталл ячеаки х части ц в п ереохлаж денн ы х о б л а к ах и тум анах..П. Н. К расиков в лаб оратори и и частично в полевы х условиях и зучал действие A g J и РЬЛг.

П рим ерно в это ж е врем я в Ц ентральн ой аэрологической обсерватории были начаты теоретические и эксп ери м ен тальн ы е работы в области рассеян и я переохлаж денны х облаков и т у м а ­ нов с помощ ью твердой углекислоты с целью раскры ти я аэр о ­ дромов. Д л я этой цели были созданы специальны е установки, используемы е на зем ле и на сам ол ете [46], [ЙЮ], [бП ].

Н есколько п озж е и сследования в этой области были начаты в р яд е других научны х учреж дений страны и, в частности,, в А кадемии наук С СО Р, гд е был создан соответствую щ ий коор динацианны й совет, возглавляем ы й академ иком Е. К- Ф едоровым.


И сследовлния з а руб еж ом в основном были направлены на и зы скание методов воздействия на облака! с целью получения из них зн ачительн ы х осадков. Н еобходим о отметить, что н аряд у с серьезны ми исследованиям и в этой области имелось д о в о л ь н а больш ое число п убли кац и й чисто рекламного, х ар актер а. Н е обош лось т а к ж е и без попыток использовать полученные д а н ­ ные в военны х целях, и бы ла д а ж е вы двинута идея «м етеороло­ гической войны». О днако эта идея не имеет никакого реального обоснования.

Н а р я д у.с раб о там и по вы зы ванию осадков в р я д е стран (во Ф ранции, И тали и и др.) гароводятся исследован и я по ц редотвра щению град а.

Т аким образом, исследования последних лет п оказал и п р и н ­ ципиальную возм ож ность воздействия на переохлаж денны е об­ л ак а, что создало благоприятны е условия д л я реш ения ряда!

частны х, но весьм,а важ н ы х п рактических задач.

§ 67. К РА Т К И Е Д А Н Н Ы Е О П Р И Р О Д Е Д Е Й С Т В И Я Т В Е РД О Й У Г Л Е К И С Л О Т Ы НА П Е Р Е О Х Л А Ж Д Е Н Н Ы Е О БЛ А К А И ТУМАНЫ Ш ирокое применение твердой углекислоты в п рактй ке и ску с­ ственных воздействий н а о б л ака и туманы связан о с ее больш ой эф ф ективностью, простотой в использовании и дешевизной..

С огласно данны м, полученным Лэнгмю,ром, Н и кандровы м и др.,.

при испарении 1 г твердой углекислоты в облаке при тем п ер а­ туре —-'20° аб р азуется около 10'® эф ф ективны х зароды ш ей льда.

Р у лл о, сравн и вая действие равли чн ы х реагентов, указы вает, что при сущ ествую щ их способах введения их в облако эф ф ект, п олу­ ченный от 1 к г твердой углекислоты, прим ерно соответствует эф ф екту, полученному от 25 кг иодистого серебра или 4Ш кг ж идкой воды.

Н есомиенно, что успеш ное использование тех или ины х р е а ­ гентов,Пр и воздействиях возм ож но только в том случае, когд а хорош о и звестн а природа их действия. Ш ирокое применение у к а ­ занны х реагентов, к сож алению, н е сопровож далось столь ж е ш ироким исследованием м ехан изм а 'их влияни я на п е р е о х л а ж ­ денны е о б л а к а и туманы. М еж ду тем д л я предвидения р езу л ь­ татов воздействий, а т ак ж е д л я п рактических расчетов требуется зн ан ие количественны х характери сти к эффективности хладо р еаген то е ири различны х м етеорологических условиях. И ссл е­ дованию элем ен тарн ы х процессов, происходящ их ири прим ене­ нии твердой углекислоты, посвящ ен в н астоящ ее врем я р я д р а ­ бот, вскры вш их м еханизм ее действия. С реди этих исследований необходимо отметить работы Л эн гм ю ра, Н и канд рова, Круцкой, С оловьева, Ш ефера^ Г айворонокого и др.

С ухой л ед 'представляет собой твердую ф азу двуокиси у г л е ­ р о д а (ООг) в виде белой кри сталлической массы. П ри атм осф ер­ ном д авлен ии ее тем п ер ату р а испарения р ав н а — 78,9°. И сх о д ­ ным продуктом д л я получения сухого л ьд а яв л яе тся углекислы й газ, вы деляю щ ийся в больш их количествах при горении кам ен ­ ного угля (12— iie% всего д ы м а ), а т ак ж е при процессах i6ipo ж ен и я на пивоваренны х и спирто-водочных зав о д ах. Тезанология изготовления сухого л ьд а зак л ю ч ается в получении чистой г а зо ­ образной углекислоты, которая зате м под больш им давлен ием переводится в ж и дкое состояние. В дальнейш ем в специальны х кам ер ах -п р ессах из ж идкой углекислоты получаю т сухой лед.

П ром ы ш ленность вы пускает т ак ж е ж и дкую углекислоту, кото­ р а я ком прим ируется в специальны х баллонах. В ы текая из б а л ­ л о н а в обычных атм осф ерны х услови ях, она п ревращ ается в.снегообразную массу. Т рой ная точка углекислоты находится при —66,5° и при д авлен ии 5,3 атм. П оэтом у при норм альном атм осф ерном д авлен ии углекислота в ж идком состо'янии сущ е­ ствовать не м ож ет. Т верд ая углекислота им еет хладопроизводи тельноеть, при 0° равн ую iL52,79 к а л /г. П ри тем п ературе — 78° ск р ы тая теплота исп арен и я сухого л ь д а р ав н а 137 к а л /г., И сслед овани я п о к аза л и, что действие углекислоты на ф а зо ­ вое п р ео б р азо в ан и е облаков и тум анов яв л яется чисто терм иче­ ским. Так, опыты, проведенны е в Ц А О, в холодильной кам ере объем ом около 8 м®, наполненной тум аном при тем пературе около —-iIO, п о к азал и, что внесение углекислоты в закры том ® м еталлическом сосуде вы зы вало соверш енно такой ж е процесс ю ристаллизации ту м ан а, к а к и введение ее в откры том виде.

22* Б олее 'тото, керосин, бензин, эфир, лреоный лед и другие в е ­ щ ества, п р ед вари тельн о охлаж ден н ы е ( д о —^60, — 70°) и внесен­ ные в кам еру, так ж е вы зы вали интенсивный процесс кри сталл и ­ зации тум ана. Эти данны е опроваргли -ранее существовавшее представление о том, что введение сухого л ад а в о б л ака сопро­ во ж д ается выделением химически активны х ядер.

Л аб о р ато рн ы м и и теоретическими исследованиям и [SOOf установлен а больщ ая зависим ость процесса кри сталли зац и и об­ лаков и тум анов от скорости исп арен и я сухого л ьд а. Э кспери­ м ентальное исследование процесса испарения сухого л ьд а было проведено И. 3. Гордоном. С огласн о этим данны м, в н еподвиж ­ ной среде полное врем я испарения навесок сухого л ьд а, имею ­ щ их форму ш ара, пропорционально к в ад р ату его начального ради уса. Д л я цилиндра это врем я пропорционально н ачальн ом у радиусу. П ри значениях числа Р ей нольдса Re от БО'ОО до в потоке воздуха врем я т и спарения навеоки Ото указанной формы може'^ быть определено л о ф ормуле = (67.1) где т о — первоначальн ы й вес навески, V — скорость потока, 8 = 2 * 10^ см сек/г.., Опыты по определению скорости иопарения углекислоты были так ж е проведены на сам олетах при Л /= 3 0 и -60 м/сек.

Н ачальн ы й вес навески во всех случаях был р ав ен iie кг. В рем я полного ее и ш ар е н и я при указан н ы х скоростях потока соответ­ ственно равн ялось 52 и 37 мин. |При проведении опытов на сам о­ лете было так ж е отмечено зам етное пониж ение тем пературы поверхности сухого л ьд а в потоке. С оверщ енно очевидно, что;

врем я т иопарения гранулы сухого л ь д а зависит т а к ж е от тем ­ пературы окруж аю щ его воздуха. С огласно данны м А. С. Бри т аева, д л я неподвиж ной среды мож но зап и сать ^— (67 1'^ где б — плотность сухого л ьд а, X — его коэф ф ициент теп лоп ро­ водности, Lc — теплота сублим ации, Ро • начальны й р ад и у с г р а ­ — нулы, То и Т^ —^значения тем пературы н а поверхности гранулы и окруж аю щ ей ареды. Зави си м ость времени полного испарения:

гранул сухого л ьд а с радиусам и 0,2, 0,4 0,6, 0,8 см от тем п ера­ туры окруж аю щ ей среды, рассчитанн ая п о (67.Г ), п р ед став л ен а на рис. 12в.

О днако следует у казать, что в реальн ы х условиях в р ем я п о л ­ ного и спарения г р а н у л ' будет несколько больш е расчетного.

Это связан о с тем, что коэф ф ициент е, к а к д о к аза л И. 3. Г о р ­ дон, остается постоянны м лиш ь в узком интервале тем п е р ату р окруж аю щ ей среды и убы вает с уменьш ением массы гранулы.

Это убы вание в потоке, вероятно, слабее, и при ш л ь н р м обдуве и спарение сухого л ьд а будет происходить скорее.

'При внесении гран ул углекислоты в облако вокруг них со­ зд ается л окальн ое п оле очень низких тем ператур, которое сущ е­ ственно зави си т от тем пературы окруж аю щ ей среды. 'В Ц А О автор изучил эксперим ентально распределение тем пературы вблизи гранул сухого льда.

Н а рис. Г'29 приведены результаты этих опытов вместе с р а с ­ четными данны м и, полученными и з соотнош ения (67.1') д л я не­ подвиж ной среды:

т= т ^+ R (67.2) + (7’о - 7 ’ оо) где Т — тем пер атур а в исследуем ой точке, R — р ади ус сферы, г — р а с ­ стояние от ее центра.

К ак видно на рис. 129, расчетны е и эксперим ен­ тальн ы е данны е весьма близки м еж д у собой, в особенности при = = — 10°. Н есколько б о л ь­ 250 500 юоо 2000 W O 8000 16000сек O ше они р асходятся при тем пературе - 16°.

— Рис. 128. В ремя полного испарения rpni П ри внесении сухого нул сухого льда различного радиуса в-, л ьд а в облако процесс ох­ зависимости от температуры окруж аю ­ щей среды.

л аж д ен и я идет весьм а бы ­ 0,2 С.М (J), 0,4 с м (2), 0,6 с м (3), 0.8 с м (4).

стро. В близи поверхности углекислоты при тем пе­ р атуре среды —120° врем я пониж ения тем пературы на один;

градус равн о :1,в-10~^ сек. Р езко е охлаж ден и е способствует в о з­ никновению сильных- пересыщ ений воздуха водяны м паром:

вблизи гранулы сухого льда. В области наименьш их тем ператур, могут при этом созд аваться 2'50-кратные пересыщ ения.

Т ем пературное поле падаю щ ей гранулы углекислоты в м о­ мент t м ож ет быть определено с помощ ью следую щ его соотн о­ шения:

r-R ( 2a V T 2iz / e dz W где а? — коэффициент молекулярной температуропроводности воздуха, рав'ный 0,li7 гсм ^сек.

Зная распределение температурного поля вокруг падающей гранулы, можно вычислить 0 1бъем воздуха, охлажденного ею до некоторой температуры, при которой происходит образование зародышей новой фазы. В табл. 73 приведены значения, характе - - - О Рис. 129. Экспериментальное и теоретическое распределение температуры вблизи гранулы сухого льда R = 0,4 см и R ‘= 0,2 см.

Сплошные линии — теоретическое распределение для J?= 0,4 см, пунк­ Л— 0, 2 см и пунктирная — наблюденное тирные с точками — для распределение.

ризующие объем охлажденного воздуха в сек ун д у. гранулами различных размеров, полученные Л. И. Крупкой [106].

Т аблица 0.2 0.1 0,0 Диаметр гранул (см ).... 1 0,0 2 0,0 О бъ ем (смЗ) охлаж даем ого д о, — 4 0 ° в оздуха в 1 сек.... 55 2,9 4 0.9 7 0.1 5 0.0 3 0,0 1 О бъ ем в о зд у х а (см®), который м ож ет охладиться гранулой ни ж е — 4 0 ° за весь период е е с у щ е с т в о в а н и я................... 18 600 143 1 7.8 1,1 5 0.1 2 7 0,0 Подобны е расчеты были проведены такж е Лэнгмюром [451], данные которого для больших гранул весьма близки к значе­ ниям, приведенным в табл. 73.


Совершенно очевидно, что расстояние, проходимое гранулой при падении в облаке д о полного ее иопарения, будет изме­ няться в зависимости от ее размеров. Результаты расчетов Лэнг мю-ра приведены в табл. 74.

Т аблица Д иам етр гранул ( с м )..................................... 1 0,4 0,2 0, Р асстояние (м ), п р оход и м ое ч астиц ей д о ее и с п а р е н и я...................................................................... 4300 1130 330 Кратковременные, 'Н весьма значительные перепады темие О ратуры, возн‘.каюш;

ие в облаке при введении сухого льда, со ­ и здаю т благоприятные условия для образования зародышей кри­ сталлической фазы. Последние могут возникнуть из капель об­ лака или тумана, которые замерзают под действием угле­ кислоты. Однако эксперимент показывает, что число образую ­ щихся кристаллов значительно больше числа имевшихся капель.

Таким образом, под действием сухого льда в облаке возникают 'Самопроизвольно многочисленные центры кристаллизации. О бъ­ яснение этого весьма важного факта было дано В. Я. Никандро­ вым, который исходил из того, что в атмосфере спонтанно обр а­ зуются «зерна кристаллизации» — комплексы молекул водяного пара, имеющие пространственную структуру, аналогичную части­ цам льда. Исследования, проведенные в камере Вильсона, пока­ зывают, что возникновение зере!н кристаллизации наблюдается начиная с Ш-кратных пересыщений воздуха водяным паром.

Очевидно, действие твердой углекислоты на 1 перехлажденные облака и туманы состоит в том, что в-слсдствие низкой темпера­ туры и большого пересыщения водяным ларом вблизи ее поверх­ ности создаю тся условия для спонтанного образования таких ледяных зародышей.

Д ля определения N„ — числа комплексов (ассоциаций), включающих каждый /г молекул, В. Я. Никандров использовал формулу М. П. Вукаловича и И. И. Новикова r ^ p (n -i) (т - f 3) (в — 3) ( Ь 7.о ) J 2 у П —\ где —^постоянная величина, число молек щихся вне ассоциаций, V— объем влажного воздуха, т характе­ ризует влияние изменения числа степеней свободы молекул, объ­ единенных в комплексы.

П реобразование ком/плексов молекул водяного пара в л едя­ ные зародыши цроисходит в зоне искусственного охлаждения, где температура ниже — 40°. Радиус г* комплекса, на котор'ом м ож ет происходить дальнейшая ионденсация при определенном пересыщении, равном может быть найден по формуле Том сона (см. гл. I, § ll) кТЫ тде ст—^поверхностное натяжение поверхиости, разделяющ ее воду и воздух;

k —' постоянная Больцм'ана, Ув — объем молекулы во­ дяного пара.

В табл. 75 приведены размеры комплексов для различных частей теплового поля, образующ егося при внесении углекис­ лоты в облако с температурой —20°.

Т аблица Т ем п ер ат ур а (гр ад.).... — 20 — 50 — -6 Упругость насыщ ения (м б ) 1,2 5 0,0 6 4 0,0 0 4 0,1 9 0,0 1 Кратность пересы щ ения.. 19,5 1 6 5,7 8 251, 6,5 •Г* в 10"“* с м............................ 8,0 0 5,5 0 4,2 0 3,2 Следует заметить, что до настоящего времени не установлена структура зародышей до перехода их в ледяные ядра. П ола­ гают, что комплексы молекул имеют структуру, близкую к струк­ туре льда, благодаря чему они могут расти путем сублимации водяного пара, минуя жидкую фазу. Однако, согласно теорети­ ческим, расчетам Крастанова {433], [434], водяной пар при отри.цательных температурах долж ен легче конденсироваться в пере­ охлаж денное ж идкое состояние, чем сублимироваться в т в ер -.

,дое. Это связано с тем, что поверхностная энергия на разделе жидкость — пар меньше, чем на. разделе пар — твердое тело в диапазоне температур, при которых наблюдается в природе образование твердой фазы.

К этому следует добавить, что экспериментальными исследо­ ваниями также было найдено, что в паре, пересыщенном по отношению ко льду и недосыщенном по отношению к воде, кри­ сталлическая фаза не образуется. Это позволяет считать более вероятным процесс образования ледяных кристаллов, состоящий из двух этапов. На первом из них происходит спонтанная кон­ денсация водяного пара и на втором — замерзание образовав Л1ИХСЯ капель. Об этом говорят также наблюдения Фурнье.д’А льба [59] и др.

В опытах 'Фрезера [365] происходило образование кристалли­ ческих облаков при введении сухого льда в воздух без тумана.

Это указывает на то, что рост уж е образовавшихся зародышей кристаллов льда может присходить тогда, когда величина дав •ления водяных паров.находится меж ду значениями насыщения относительно воды и относительно льда. Опыты создания искус, ственных кристаллических обла,ков проводились также в Канаде.

. п р и этом было замечено, что с понижением температуры размер частиц облаков увеличивается.

Известно, что образование зародышей льда может также тф-оисходить в1 следствие бььстрого '.понижения температуры при адиабатическом расширении воздуха. Согласно этим данным,, в 1 см® влажного воздуха образуется таким' путем до 10'°—ilO*' ледяных'зародышей.

Дальнейшее развитие образовавшихся зародышей кристал­ лов, т. е. рост молекулярных комплексов до некоторых критиче­ ских размеров, суш;

ественно зависит от имеющегося запаса водя­ ного пара. Согласно данным В. Я. Никандрова, указанный про­ цесс перехода будет избирательным, т. е. вначале будут растп более крупные комплексы.' Выросшие в зоне иокусственног1 охлаждения до некоторых критических р.азмеров, зародыши кри­ сталлов могут расти дальш е и вне этой -зоны в реальных условиях облака вследствие разности упругости водяного пара над водоц и над льдом. Лэнгмюр [451] рассчитал критические размеры за ­ родышей, которые могут существовать самостоятельно вне зоны охлаждения.

Т ем пература ( г р а д. )....................... — 1 —5 — 10 — 15 — 20 — 30 — Диам етр частицы d в 10“ ® см 7,8 3,1 0 1,6 8 1,1 8 0,9 3 0,6 7 0,56 Следует напомнить, что при воздействии твердой углекисло­ той температурное поле вблизи гранул СО- устанавливается со ско-ростью порядка •10'* град/сек., а процесс ядрообразования.

продолж ается 10"3_ 1,о- Таким образом, весь процесс охлаждения происходит очень, быстро.

Д ля эффективного рассеяния облака или тумана нужно со­ здать в них некоторую о.птимальную плотность зародышей новой' фазы, чтобы избеж ать вредного явления перезасева (см. ниже) или недостаточного засева, которые отрицательно скаж утся на результатах воздействий. В связи с этим надо знать число обра­ зующихся ядер при введении хладо|реагентов в облако при р аз­ личных метеорологических условиях.

Для такого расчета были предложены различные способы,, в частности формула А. Д. Соловьева [200], построенная в пред­ положении, что весь холод хла.дореагента идет на охлаждение воздуха и образование зародышей критического размера. Р е ­ зультаты расчета по этой формуле удовлетворительно согла­ суются с данными-Лэнгмюра, но дают, несо;

мненно, лишь верх­ ний предел числа возникающих яде|р. Наблюдения Ш ефера по­ казывают, что число зародышей на 2 порядка меньше вычислен­ ного по упомянутой формуле.

Д ля по.дсчета числа ядер, образующ ихся при воздействии' углекислотой, Л. И. Круцкая использовала выражения, получен­ ные Ва'кешима [6'10], [6/11] для скорости самопроизвольного обра­ зования зародышей новой фазы при стационарном и нестацио­ нарном процессах. При этом было принято, что вблизи гра­ нулы происходит понижение температуры со скоростью 5,5 • 10”^ гр1 д/сек. и тем самым там создается некоторое зн а­ а чительное пересыщение. В этом случае число образующихся в единицу времени ядер v равно v -= V o0, ( ^ ) / \ (67.4) где Vo — маюсимаяыную скорость ядрообразования—iможно вы­ числить по формуле дг2 3 кТ ^0 = 3 1 /,] / где т — масса молекулы, Л — число молекул водяного пара ^ в единице объем а влажного воздуха до внесения углекислоты, а O i(/) имеет следующий вид, если вести отсчет времени с мо­ мента, когда скорость ядрообразования максимальна:

где 2л (г*) ® ;

v = 2 1+ )• Функция Фг может быть получена по формуле где da Т’о + Чт 2а /о /( */-0 ! d N \ I(L _ dT \ / и То 1температура, соответствующая моменту максимального ядрообразования.

Расчеты, проведенные по формуле (67.4), показывают, что при иапарении 1 г твердой углекислоты при — 60° образуется 1,9 - 10''® ледяных ядер, что хорошо согласуется с эксперимен­ тальными данными Ш афера [59].

Таким образом, этим методом возможно получить данные о числе ледяных ядер, образующ ихся в переохлажденных обла­ ках и туманах при введении в них твердой углекислоты. Это указывает на правильность существующих представлений,о ме­ ханизме ее действия.

В последние годы во Франции для воздействия на переохлаж ­ денные облака и туманы применяется жидкий пропан. Верхний температурный предел эффективного применения пропана лежит при —il°. П рирода действия этого реагента существенно не от­ личается от твердой углекислоты. В практике воздействий дан ­ ный реагент широкого применения л ака не получил из-за боль­ шой технической трудности его (введения в облака и туманы.

§ 68. П Р И Р О Д А Д Е Й С Т В И Я Н ЕКО ТО РЫ Х И О Д И Д О В НА П Е Р Е О Х Л А Ж Д Е Н Н Ы Е О БЛ А К А И ТУМАНЫ Выше было указано, что Воннегат [59] обнаружил весьма эффективное действие аэрозоля дыма иодистого серебра на за ­ мерзание переохлажденных капель воды. Вследствие этого оно стало широко применяться для воздействия на переохлажденные облака и туманы. По мнению Воннегата и других авторов, действие A gJ обусловлено тем, что параметры его кристалличе­ ской решетки весьма близки к параметрам гексагональной р е­ шетки льда. В дальнейшем были найдены и другие вещества, которые оказывают аналогичное действие на переохлажденные облака. Н аиболее эффективные из них указаны в табл. 76 (ло данньш П руппахера и Зенгера [534]).

Т аблица Т ем ператур­ Т ем ператур­ ный порог ный порог В ещ еств о В ещ еств о с кристаллиза­ кристаллиза­ с ции (град.) ции (гр ад.) 1 8 - 6, — 5,2 V 2O A g J (Р -Т ).

- 6. 2 H gTe — 5,3 Ag'iS CuJ A g 3 - 5,5 — 7, 11 — 6, 4 —4, C uS CU2O 5 CuSe C dSe — 5,3 - 6, 6 CdTe — 5,1 13 AgNOa — 7, — 10, AuJ 7 PbJj - 6. И з приведенных в табл. 76 веществ только четыре имеют гексагональную или тригональную структуру, семь других имеют кубическую, а остальные тр и —^ орторомбичеСкую структуру.

Указанные авторы провели специальные исследования с моди­ фикациями р и Y иодистого серебра. Они показали, что темпера­ турный порог эффективности обеих модификаций одинаков, хотя у имеет кубическую пространственную структуру.

В настоящ ее время большая часть авторов считает, что в про­ цессах фазового преобразования облачных капель играет сущ е­ ственную роль не пространственная структура этих веществ, а аналогия их поверхностной структуры поверхностной структуре льда. Это знач1 т, что образование кристаллов льда на частич­ и ках данных веществ в основном происходит путем эпитаксии, е. ориентированного роста на кристалле-подложке. При этом активность частиц в качестве ледяных ядер зависит от адсорб ционно-ориентирующей сцособности их поверхности.

Следует заметить, что процесс эпитаксии существенно зави­ сит от чистоты подложки.

В есьма интересные результаты исследования получил Бир стейн Р 8 4 —286]. Он установил, что частички AgJ и РЬЛг обла­ даю т зиачительными адсорбционными свойствами. Они.способны удерживать свыще ста монослоев молекул, воды и в ненасыщен­ ном водяном паре. При отрицательных темшературах количество.адсорбированных монослоев на частицах резко, возрастает с приближением к насыщению пара относительно льда. Следо­ вательно, на таких частицах происходит образование кристал­ лов льда, минуя жидкую фазу. Этот вывод находится в согла­ сии с данными Ш ефера и Квилонга (см. § 66). В. Я. Никадров Jiiei] экспериментально установил, что на мельчайших частичках AgJ и PbJ2 цроисходит образование кристаллов льда вследствие сублимации на них водяного пара при насыщении относительно льда. П роцесс перегонки водяного пара с капель на частички AgJ и PbJ2 наблюдается пр.и температурах соответственно 1 — и —'10° и ниже, в щироком диапазоне отрицательных температур.

При контакте капель с мелкими частичками разл'ичных ве­ ществ замерзание капель происходит не всегда. Так, например, песок, частицы угля и золы, хлористый натрий при контакте не оказывают влияния на замерзание.

Большой интерес представляют также результаты ультра микрохимического анализа дымов иодистого серебра и свинца, проведенного М. Н. Петриковой в Институте аналитической хи­ мии Академии наук СССР. Было найдено, что аэрозоль иоди­ стого серебра, возникший при температуре 600°, состоит на.86— 010% из иодистого серебра и на 10—15% из окисла серебра. A g 20. Аэрозоль иодистого свинца при той ж е температуре воз­ гонки по своему химическому составу близок к исходному ве­ ществу. ‘ Активность частичек иодистого серебра существенно зависит' от температуры среды. Минимальная их активность, близкая к нулю, наблюдается при температуре — 5°, являющейся темпе ратур.ным порогом их действия. С понижевиам температуры число активных ядер заметно возрастает. Это, очевидно, обуслов­ ливается тем, что-с понижением температуры возрастают адсор­ бционные свойства частичек. При этом активность частичек -аэрозоля зависит несколько от их размеров.- Так, по Воннегату, температурный порог для частичек с размером около Ip, близ'ок к —4°, а для очень мелких частичек— к —в°.

Н аиболее быстрый рост числа активных ядер наблюдается в, диапазоне от — 6 до —il2°. Дальнейшее понижение темпера­ туры до —20° сопровождается более медленным ростом числа ледяных ядер. При —20° число активных ядер возрастает до 10'® на Г г сжигаемого вещества. Близкая к указанной зависи. МОСТЬ была получена также в исследованиях В. Н. Балабановой 1 1 0 ].

Н еобходимо отметить, что с понижением температуры диапа­ зон размеров частиц^ которые могут быть ядрами кристаллиза­ ции, увеличивается вследствие изменения их критических разм е­ ров. Так, например, при температуре • '5° критический размер — частиц AgJ равен 6 - Ю см, а при —iL5° он равен 2 • 10"® см.’ "® П ри той температуре среды, при которой критический р аз­ ь мер частиц становится меньше э возможного (т. е. когда все ча­ \ стицы становятся ядрами кри­ \, ll сталлизации), дальнейшее по­ + вышение активности аэрозоля l - l ) % A gJ не происходит. о +\ о c. 5 0. С л е д о в а т ел ь н о, в л и ян и е \ т ем п ер а т у р ы н а ак ти в н ость ч а ­ ч о с т и ц п р о я в л я ет ся, в о-п ер в ы х, \+ ^0. в т о м, что от н е е за в и с и т в р ем я \оэ о б р а зо в а н и я л е д я н о й ф азы на I То\ о talO) п о в ер х н о ст и и, в о -в т о ­ их s \l р ы х, в т ом, что о н а о п р е д е ­ -0. л я ет д о л ю эф ф ек т и в н о д е й с г в у ю щ и х ч асти ц. Э т о н еск ол ь к о о гр а н и ч и в а ет п р и м ен ен и е и о д и ­ 0. стого сер ебр а и др угих р еаген ­ 0 hO 120 м и н.

тов т а к о г о р о д а на п рак тик е. Продолжительность запуска аэрозоля иодистого серебра в атмосферу К этому также необходимо д о ­ бавить, что твердые не раство­ Р ис. 1'30. Скорость распада иодистого римые в воде частицы являют­ серебра, образованного в водородном ся более эффективными л едя­ и керосиновом пламёни. П о оси абс­ цисс отлож ены коэффициенты распа­ ными ядрами по сравнению с д а ядер зам ерзания частиц иодистого растворимыми. В озможно, это серебра, по оси ординат — пр одолж и­ объясняет большую активность тельность запуска аэрозоля A gJ в иодистого серебра по сравне­ атмосферу.

нию с иодистым свинцом, раст­ воримость которого на пять порядков выше, чем иодистого серебра.

Н еобходим о отметить, что основным методом диспергирова­ ния иодистого серебра с целью получения активных ледяных ядер является возгонка при высокой тем1 пературе. При этом уве­ личение диаперсности позволяет получить большее число ледя­ ных ядер, но при очень большой дисперсности может понизиться температурный порог их действия.

В. атмосфере’ такж е происходит некоторое «старение» части­ чек иодистого серебра, разлагаю щ ихся на свету и теряющих при этом льдообразующ ие свойства. Так, по данным Воннегата и Ш ефера, в темноте число активных частиц уменьшилось на по­ рядок за 24 часа, а на свету — на два порядка за час. При этом быстрее стареют более мелкие частицы. Однако имеются другие данные, которые указывают, что старение частиц в атмосфере идет медленно. Д ля решения этого вопроса требуются еще д о ­ полнительные исследования. П роцесс старения аэрозоля сущ е­ ственно зависит от метода его генерации, и коэффициент р ас­ пада частичек иодистого серебра различен при тех или иных мето|дах их генер!ации.

Как видно на рис. 130, доля раш авш ихся частиц, полученных из водородного генератора еа 16 мин., достигает О О !. В то ж е ^^ время при керосиновом генераторе такое ж е число частиц распа­ дается только спустя Ю мин. после их пребывания в атмосфере.

О Это, очевидно, связано с тем, что водородное пламя имеет более высокую температуру, чем керосиновое, и образует более мел­ кие частицы.

Инн показал, что повышение 'влажности воздуха замедляет старение частичек иодистого серебра, в особенности при относи­ тельной влажности свыше 00%. П оследнее, очевидно, связано с образованием защитной пленки вокруг частиц с повышением относител1зНой влажности воздуха. 1Кро.ме того, Рейнольдс [546] обнаружил, что с помощью аммиака можно повышать актив­ ность и фотохимическую устойчивость частиц иодистого серебра.

§ 69. П Р И М Е Н Е Н И Е РА С П Ы Л Е Н Н О Й В О Д Ы И ГИ ГРО С К О П И Ч ЕС К И Х РА С ТВО РО В В К АЧЕСТВЕ Р ЕА ГЕН ТО В Д Л Я В О ЗД Е Й С Т В И Я НА о б л а к а и т у м а н ы Распыленная вода может применяться только для воздей­ ствия на мощные кучевые облака. В облаках слоистых форм такое воздействие, как показывает расчет по формуле (9.в), а также расчеты, сделанные Н. С. Шишкиным [247], практиче­ ского смысла не имеют, так как в облаках малой мощности при­ рост массы капель незначителен.

В мощных кучевых облаках введение распыленной воды ускоряет процесс гравитационного укрупнения облачных капель до размеров частиц осадков. Лэнгмюром введено даж е понятие «цепного процесса», который происходит в кучевом облаке при введении в него рзапыленной воды. К огда капля вырастает до размера дож девой, до радиуса около 2,8—2,9 мм, она разры­ вается на -большое количество мелких капель. Последние вер­ тикальными движениями воздуха могут подниматься в верхнюю часть облака, снова расти там и т. д. Следует заметить, что введение распыленной воды в ве|рхнюю переохлаж денную часть мощных кучевых облаков может вызывать образование твердой фазы в облаке. Возможно, это происходит в результате зам ер­ зания облачных капель при соударении с каплями воды. Так, например, в 1960 г. автор наблюдал образование интенсивной крупы в переохлажденной части облака после введения в него распыленной воды.

Гигроокопические вещества применяются для воздействия на облака и туманы вследствие их солособности понижать упру­ гость пара над каплями растврров. П оэтому капельки растворов некоторых солей (СаСЬ, NaCl и д р.), введенные в облако, будут поглощать влагу и расти. Увеличение размера их будет сопро­ вождаться уменьшением концентрации раствора сол,и и повьипе нием упругости водяного пара над каплей, что замедлит скорость ее роста. С другой стороны, в результате поглощения водяных паров влажность в облаке будет понижатыся и облачные капли стунут испаряться. Хауто- ^ нам лроизведен расчет ко личества водяного пара, ®" который сконденсируется.



Pages:     | 1 |   ...   | 7 | 8 || 10 | 11 |   ...   | 13 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.