Введение к работе
Актуальность темы. Наша зависимость от атмосферных и облач- ных процессов и пассивность защиты от опасных, атмосферных явлений очевидна. Однако, в микрофизике облакив, на протяжении многих лет ставилась задача неверно: то, что надо было тщательно изучать, в особеннссти методами колекулярн' ч физики и статистичес ко Я тэр:;однн' vsikh - ядро облачных процессов - фазовые переходы воды и электрические явления, овкз мы с ними, - поче(їу-то считалось практически понять"!, и ставилась задача - изыскать и внедрить дгаевыэ, экологически чистыэ способи воздействия на облака с цзлья предотвращения градобитий, получения дополнительных осадков или да.?э подавления иоцннх циклонов. В результате успехи о области воздействия практически отсутс вуэт и, е^э kg ' научисзиоь преднамеренно управлять обяачні2.с\ процесса»!, пи столкнулись с результатами напрэднамеренных, антропогенных гоз-дзйсгвий, приводящие к иепрэдсглэус;^.!, а возможно, и глтастро-сггаоспот послєдстбил:і.
Облак достаточно хорошо .;зуч-з::.і с точки зрзния гидрод- т-:яік:і, кинетическая теория позволит натематичоски ігаделнровать развитаэ спектра капель, однзо в отнг -язнин фозо2:и переходов пая теоретические, так.:: о^спорит-онтальміо: дгікок сгагнитзлькз пгньпэ, что а из позволяет- уверенно угіразлять разв!:?;:от,! облакоп.
*
для изучении таких систем долквн Сыть обязательно приманен весь арсенал современной науки о коллоидах. 1С сожалению, физикой облаков зашшавтся в основной чистые метеорологи, которые по вполне п штныы причинам не но гут достаточно хорошо разобратьол в таких явлениях как гетерогенная нуклеация, стимулированный фазовый переход или разделение зарядов в сложной коллоидной система облаков. Предо.авлявтся, что уже по этой причине работа, в которой для изучения атмосферных фазовых переходов воды используются современные термодинамические ыетоды расчетов и экспериментальные физические методы исследований, является актуальной.
Целью работы является, во-первых, внедрение современных методов исследования и расчета в изучение процессов, связанных с замерзанием и конденсационный ростом капель в облаках и туманах. При этом работа строилась так, чтобы получить объяснение явлений на языке современной физики, т.е. связать метеорологические понятия такие, как льдообразующая активность, кристаллизация заряженных капель, упругость пара над растворами и т.д., с физическими представлениями об адсорбции, нуклеации, цеамоде-куляриых взаимодействиях, термодинамике искривленных поверхностей. Такой подход может расширить понимание процессов, связанных с фазовыми переходами, а следовательно, будет способствовать и изыскание способов воздействия на них.
Во-вторых, целью работы была разработка методов воздействия на облака выше и ниже нулевой изотермы, т.е. способа стимулировании конденсационного роста капель, что привело бы к появлению в ансамбле капель облаков и туманов более крупных капель, способных к коагуляционноцу росту и последующему выпадении в виде осадков и способа гетерогеннрго замораживания части переохлажденных капель воды в облаке с последующим їх ростом
за счет сублимации и выпадением из облака на до гроэо- и градо-опасной стадии.
В-третьих, ставилась задача изучения влияния электрических свойств облачных систем на процессы осадкообразования. Для этого были изучены, экспериментально и теоретически рассчитаны связи электрических параметров облака с вероятностью фазового перехода. В частности, методами термодинамш искривленных поверхностей была рассчитана зависимость вероятности кристаллизации капли от величини ее заряда.
В четвертых, целью работы было найти экспорименальное подтверждение влияния инфракрасного излучения льда на кристаллизацию переохлажденной воды, что указывает на возможный новый способ воздействия на переохлажденные облака и туманы.
Научная новизна. Прямые структурные метода исследований, такие, как инфракрасная спектроскопия (ИКС)' и ядерный магнитный резонанс (ЯМР) для целей исследования стимулированного фазового перехода на поверхности атмосферных искусс-ченных и естественных ядер, впервые использована з насто.-щей работе, в этом othol jним все подученные в этих исследованиях рэзультЕ. и являются новыми. Синтетический двухког/лонснтный реагент, способный стнцулировать кристаллизация г. рэохляддешюй води, п го-тором хаздая компонента по отдельности не активна, был талгяе разработан вперено.,Теория кристаллизации гексагонального зародыша с одной заряяенной граньн на пог>'' хности зярялепной крили, такяе является принципиально новой. !'с;:-.но над-лтьея, что все полученные результаты будут весома потл нн п будуїтих работах по изысканию способов воздействии па облает и продсхлзпяич результатов непреднамеренных антропогенных воэдеЯстз; і на атмосферу.
Сфорцулируем основные результаты в виде следующих положений, которые выносятся на защиту.
1. Исследованы растворы поверхностно-активных веществ при концентрации ниже и выше критической концентрации млцелл-образо-вания методами инфракрасной и ядерно-магнитной резонансной спектроскопии, что позволило показать, каким образом влияет несимметричность взаимодействия ПАВ (гидрофобная группа и гидрофильный радикал) на термодинамические свойства, капель растворов (1АВ. Показано, что наблюдаемые ранее отклонение от закона Рауля для равновесной упругости Дбвя«н*я| насыщенного водяного пара над растворами низких концентраций объясняется наличием структурирования в растворах ПАВ при концентрациях низе ККМ за счет гидрофобных взаимодействий. Объяснены также отклонения от этого закона при высоких концентрациях (в неравновесных условиях), когда сильное взаимодействие гидрофильных радикалов в условиях неравновесия (при дроблениях, слияниях и турбулентных перемещениях капель) может дополнительно замедлять испарение,' т.е. ускорять конденсационный рост капли.
Z. Проведены камерные исследования влияния влажности на зарядку аэрозолей положительными и отрицательными зарядами. Исследования подвижности заряженных аэрозолей при разных влажно^-тях показали, что конденсация на заряженных аэрозолях определяется в сильной степени знаком заряда поверхности.
3. "а основании проведенных исследований растворов ПАВ создана и рассчитана математическая модель воздействия ПАВ на облака с целью или подавления их развития в градоопасных условиях, или получения дополнительных осадков. Предложенный метод вэзденсгвк по крайней мере на порядок эффективнее известных могодоь воздействия i.j. капельные облака (мощностью 2-6 км, вод-
ность 0,b - і,0 г/мэ) гидрофильными реагентами .«а-в&няга-е-шл-
^.о.»и»ррвші_я г.ррпдпявицац-лшшаааия<.
-
Вперено d приближении среднего поля решена задача учета слияния но только дипольного, но и квадрупольного момента нолокулн вода на критический размер усто. швого зародыша капли при конденсации на ионах разных знаков, зарядов и размеров. Результата расчетов достаточно хорсзо согласуются с имеющимися экспериментальными данными.
-
Исследована адсорбція под» ча -ьдообразуоцих поверхностях различно!) активности «отодами Ш и ЯМР спектроскопии, однозначно усганоплени связи адсорбционных характеристик с гетеро-гоиноЛ ,льдообразугг;эй актионостьэ подлояоя.
-
Проведен комплекс каморггых опытов по исследовании гето-рэгенйоЛ льдообразутсцэЯ активности юдкфацировг *ннх (сннтетн-чзеглгг) гіодлог.вк п з результата получен новий синтетический рзаг2.чт, обладит::!:! достаточно сцсокоП активностью.
-
В глг.грэ ту:.:з,чоз исследовано воздействие различите по-коз из іф:*отзляі:з2ц:пз поргох.":а7деи.^го тумора*' Ьолучэнн зависимости пзроятпсотн крлстадя:;загркі перзохладденни. іїополь раз"9-рзз, тпшгатісс для гутанз я обдецгап, от ішрлгптостії поля» зпа-
тумана при различных темпер; урах. Данные исследования позволили обнаружить неизвестное ранее явление: воздейстьие резонансного теплового ИК-излученин льда на основной валентной частото на вероятность кристаллизации переохлажденного тумана, ііри определенных условиях вероятность кристаллизации возрастает па ^-3 порядка величины.
практическая значимость работы. Результати работы имеют значение для физики облаков, так как намечают путь к пониманию некоторых сложных облачных явлений, связанных со стимулированными фазовыми переходами и злектрическими явлениями, практический интерес представляют также разработанный метод воздействия на облака поверхностно-активными веществами (ыаВ) , синтетический реиичгг, обладающий высокой льдообраэующей активностью, принципиально новый спосоо кристаллизации переохлажденного водного тумана под ьоздейетвием резонансного инфракрасного излучения льда, а также применение методов статистической термодинамики для расчета фазового перехода вода - лед в различных системах.
Апрооация работы. UenoBHue результаты работы доложены: на УШ, ІХ и XI Межвузовских конференциях по испарению, горению и газовой динамике (1969, І97Й, х972 г.г.); на Ш, ІУ, У Международных конференциях но атмосферному электричеству (іУ/Ь, 19d0,. 19^: г.;'.); на УШ Международной конференции по нуклеации (Ленинград, 1973 г.); на ІШ и iX. конференциях по физике облаков и активным воздействиям (Тбилиси, 19/1 г., Ташкент, 973 г.); на "Международной конференции по а-ігосфернш загрязнениям" (L.tjiuiM.'., І9/4 г.); на научном семинаре по теоретическим и злЛі'Ціф.ілнческіш проблемам .энергетики (Иркутск, 19А1 г.); на а :Ле:.1чу|кц.1Д,аой конференции all) по воздейсгв а на облака (C.iiA, *-.і- і); її» і -'і Ск.лзії і ічмії.чаре іК.' теории поверхностных явле-
$
ний (Ленинград, іУУб г.); на научных семинарах в LIAO (Москва), П\) им.А.И.Воейкова (Ленинград) и в других организациях.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из впо-дения, трех глав и заключения. Во введении рассматривается важность теории нуклеацин для физики облакоь и дается обзор совре-МСНШ.И работ в этой области. В первой глаие в трех разделах рассматривался исследования конденсации подь: з различных системах; во вторії главо рассматриваются исследования льдообразования на поверхностях, она таете cor літ лз трех разделов; в третьей главо, также состоящей из трех разделов, рассматривается влияние электрических сил и резонансных излучений на кристал-лизацпа переохлажденных капель. В начало качдого раздела дается краткий обзор литературы, а э понцэ приведены выводы. Список