ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................... 5
1. ОБРАЗОВАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ЛЕДЯНЫХ КРИСТАЛЛОВ В ПЕРЕОХЛАЖДЕННОЙ ОБЛАЧНОЙ СРЕДЕ...................................... 20
1.1. Гомогенное образование ледяных кристаллов.................... 21
1.2. Механизмы нуклеации льда на льдообразующих аэрозолях......... 25
1.3. Зависимость льдообразующих свойств частиц от их физикохимических характеристик.................................... 29
1 4. Методы и технические средства, применяемые для исследования
характеристик льдообразующих аэрозолей........................ 33
2. НУКЛЕАЦИЯ ЛЬДА НА АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦАХ............................40
2.1. Роль адсорбции в нуклеации льда из пара......................41
2.2. Необходимое условие гетерогенной нуклеации льда.............. 44
2.3. Связь размера активных льдообразующих ядер с влажностью.......46
2 4. Влияние влажности на количество льдообразующих ядер в аэрозоле 49
2.5. Стохастическая нуклеация льда аэрозолями..................... 52
2.5.1.Образование льда на совокупности активных центров......... 53
2.5.2. Влияние параметров поверхности и температуры на вероятность кристаллизации.................................................. 55
2.5.3. Пороговая температура кристаллизации..................... 57
2.5.4 Стохастическая нуклеация льда на аэрозольных ядрах........ 59
3. АКТИВАЦИЯ ЛЬДООБРАЗУЮЩИХ АЭРОЗОЛЕЙ............................... 64
3.1. Влияние стационарных и кратковременных пересыщений водяного
пара.......................................................... 64
3.2. Льдообразующая активность частиц сложной структуры........... 69
3.3. Роль гигроскопических включений на поверхности частицы....... 71
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕРМОКОНДЕНСАЦИОННОГО ФОМИРОВАНИЯ ЛЬДООБРАЗУЮЩИХ АЭРОЗОЛЕЙ................................ 76
4.1. Термоконденсационное формирование аэрозолей низколетучих
веществ....................................................... 76
4.2. Выбор уравнений для описания процесса образования аэрозолей 78
4.3. Уравнения для описания кинетики смешения..................... 82
4.4. Основные параметры процесса формирования льдообразующих
з
ядер................................................................. 88
4.5. Результаты численных расчетов величины Л' выхода активных льдообразующих ядер............................................... 93
4.6. Требования к методикам экспериментального исследования искусственных льдообразующих частиц............................... 95
5. МЕТОДИКИ И АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СРЕДСТВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПЕРЕОХЛАЖДЕННЫХ ОБЛАКОВ.................................... 100
5.1. Методика 1 и аппаратура для исследования полноразмерных генераторов льдообразующих аэрозолей при моделировании
скоростей их движения до 100 м/с.................................... 101
5.1.1. Выбор и общее описание методики при исследовании
генераторов в воздушном потоке.................................. 101
5 1.2. Распределение концентрации аэрозоля в сечении отбора пробы .... 104
5.1.3. Система разбавления пробы аэрозоля и камера смешения........... 109
5.1.4. Ошибки измерения величины выхода............................... 111
5.1.5. Методика и аппаратура для определения дисперсности льдообразующих частиц................................................ 115
5.2. Методика 2 и аппаратура для исследования генераторов в переохлажденном двухфазном потоке...................................... 119
5.2.1. Обшее описание методики 2...................................... 119
5.2.2. Моделирование облачной среды в ГАТ............................. 121
5.2.3. Характеристики тумана в облачной камере смешения............... 128
5.2.4. Влияние характеристик тумана на результат измерения............ 132
5.2.5. Система отбора проб.......................................... 134
5.2.6. Влияние процедуры разбавления на результат измерения........... 136
5.2.7. Оценка погрешности измерения.................................. 138
5.3. Методики исследования эффективности генераторов при скоростях движения до 600 м/с.............................................. 138
5.3.1. Методика 3 и аппаратура для испытания генераторов при
скорости до 250 м/с............................................. 139
5.3.2. Оценка погрешности измерения................................... 142
5.3.3. Методика 4 и аппаратура для испытания генераторов при
скорости до 600 м/с............................................. 143
5.4. Аппаратура для моделирования искусственного льдообразования в
26
замерзанием и контактное замерзание/20, 11], 231, 256/. Такое дополнительное разделение позволило выделить области преимущественной реализации разных механизмов в зависимости от влажности и температуры облака /242/.
В практической ситуации первые два механизма требуют, чтобы в облаках существовало пересыщение водяного пара относительно льда или относительно воды. Существование таких механизмов нуклеации нашло подтверждение во многих экспериментальных работах /165, 161, 224, 180/. При этом в качестве основного критерия эффективности того или иного механизма нуклеации был принят температурный порог нуклеации льда. Согласно выводам теории Флетчера температурный порог сублимационного механизма для наиболее активного вещества Agi составляет минус 4 °С, а для механизма “конденсация с последующим замерзанием” - минус 12 °С . При этом был сделан вывод о преобладании в облачных условиях сублимационного механизма гетерогенной нуклеации. Однако в ходе дальнейших экспериментальных исследований были получены результаты, находящиеся в явном противоречии с выводами теории Флетчера. Так, например, в /243/ было показано, что для механизма конденсация-замерзание температурный порог составляет минус 4 °С . Позднее было установлено, что температурный порог для сублимации ниже минус 12 °С /174, 229/, а для контактного механизма - около минус 5 °С .
Основным недостатком в таком подходе разделения механизмов нуклеации было искусственное устранение от изучения возможного одновременного существования на твердой поверхности докритических зародышей льда и жидкой воды.
Существующие противоречия привели к необходимости рассматривать взаимосвязь разных механизмов. Так, при рассмотрении механизма контактной нуклеации Купер /167/ рассматривал контакт частицы с каплей, как путь облегченного перехода через барьер нуклеации докритического ледяного зародыша, образовавшегося в паровом окружении по сублимационному механизму. Большинство же исследователей рассматривают контактную пуклеацню как частный случай механизма замерзания /111/. Более высокая эффективность частиц на поверхности капли по сравнению с погруженными в каплю объясняется ими интенсивным растворением поверхности частицы при погружении в воду. Фукута /195/ для объяснения высокой эффективности контактной нуклеации вместо концепции растворения поверхности предположил
27
локальный рост межфазной поверхностной энергии при движении частицы по поверхности капли. Однако такое объяснение не согласуется с экспериментальными результатами Вали /272/ о существовании временной задержки при реализации механизма контактной нуклеации. Таким образом, по существующим представлениям контактная иуклеация связана с введеными
Н.Флетчером механизмами сублимации и замерзания и поэтому выделение ее в отдельный механизм необоснованно.
Существование многочисленных экспериментальных результатов, не находящих объяснения в рамках теории Н.Флетчера, вызывает ее уточнение
л. _
путем рассмотрения дополнительных параметров - линейного натяжения зародыша, растворения загрязняющих примесей и т.п. /185,189,201 и др./. При этом сохраняется принципиальный подход с позиций классической термодинамики.
В последнее время интенсивное развитие получила концепция активных центров - участков поверхности, отличающихся по своей активности /182, 187, 228 и др./. Н.Флстчером /187/ для аэрозольных частиц предложена модель активных центров , в которой учитывается существование центров разной активности. Льдообразующие свойства по этой модели определяются наиболее активным центром из всех размещенных на поверхности. Такой подход по существу можно рассматривать как попытку объединения стохастической и сингулярной гипотез v>. .. „
Стохастическая гипотеза /158 и др./ предполагает, что воздействие твердой поверхности на вероятностный процесс нуклеации не меняет ею стохастическую природу. Согласно сингулярной гипотезе/271 и др./температура кристаллизации капли, содержащей твердые частицы, определяется только частицей, имеющей наивысшую пороговую температуру. Развитие теории активных центров на основе классической термодинамики привело к необходимости введения понятия пороговой температуры активности для отдельного центра в зависимости от его размера и введения целого ряда не измеряемых параметров для описания распределения активных центров по размерам. Дэвисом /176/ было проведено сравнение модифицированной теории с экспериментальными результатами. Оказалось, что практически любой нужный вид зависимости числа активных льдообразующих ядер в исследуемом аэрозоле от температуры может быть получен путем соответствующего подбора параметров распределения центров,
- Київ+380960830922