ИССЛЕДОВАНИЕ ГОМОГЕННОЙ НУКЛЕАЦИИ В ПЕРЕСЫЩЕННОМ ВОДЯНОМ ПАРЕ Крюкова С.В.

Российский государственный гидрометеорологический университет


Номер: 5-3
Год: 2016
Страницы: 178-182
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

спонтанная нуклеация, пересыщенный пар, хладореагенты, искусственные воздействия на облака, spontaneous nucleation, supersaturated water vapor, glaciogenic particles, artificial cloud modification

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье исследуются условия гомогенного образования зародышевых частиц в зоне спонтанной конденсации при искусственных воздействиях на облака. Рассчитаны размеры жизнеспособных водяных и ледяных зародышей. Показано, что в диапазоне температур 194÷233К наблюдается формирование преимущественно зародышевых капель воды.

Текст научной статьи

Фазовые переходы воды в атмосфере изучаются на протяжении более 100 лет, но так и остаются неизученными до конца. Первым этапом в любом фазовом переходе является нуклеация - формирование зародышевых частиц новой фазы в материнской фазе. Спонтанная конденсация и осаждение имеют первостепенное значение при определении механизма формирования ледяных частиц в облаках. Вопрос о том, как формируется лед при температуре -40°С: в результате гомогенного замерзания жидких капель или посредством прямого формирования из пара, является главной темой обсуждения ученых на протяжении многих лет. Гипотеза спонтанного осаждения сталкивается с рядом трудностей, как в экспериментальной, так и в теоретической части [1]. Согласно классической теории нуклеации, вероятность фазового превращения пар-лед мала по сравнению с вероятностью пар-вода [2]. Работы ряда авторов подтверждают, что спонтанное осаждение крайне маловероятно [1, 3, 4]. В практике активных воздействий часто появляется необходимость генерации в переохлажденных облаках или туманах большого количества мелких ледяных частиц. С этой целью в облако вносят вещества, имеющие очень низкую температуру. Температура воздуха вокруг такого тела понижается, а влажность увеличивается. При достаточном перепаде температур, влажность может превышать критическую. Таким образом, при больших пересыщениях в воздухе создаются благоприятные условия для спонтанного образования зародышевых частиц новой фазы. В качестве охлаждающих тел используют вещества - хладореагенты, имеющие низкие температуры испарения. Наиболее распространенным реагентом является «сухой лед» (твердая углекислота), имеющий температуру испарения -79°С [3, 5, 6]. В качестве реагентов также используются жидкий пропан и жидкий азот. Целью работы является исследование условий формирования зародышевых капель и кристаллов льда в зоне спонтанной конденсации при искусственных воздействиях на облака таким хладореагентом, как твердая углекислота. При внесении в облако с температурой Тобл=Т1 частицы реагента радиусом R с температурой поверхности частицы TR температура воздуха вокруг частицы реагента будет понижаться, а влажность увеличиваться. Расчет температуры Т выполнялся вдоль произвольно выбранной оси x с началом координат в центре частицы реагента. Считая, что охлаждение воздуха вокруг реагента происходит сферически изотропно, уравнение теплопроводности можно представить в виде [3] (1) где - коэффициент температуропроводности. При установившемся процессе 0 и граничных условиях: , из уравнения (1) получим формулу для расчета температуры Т как функции расстояния х от центра частицы реагента (2) Содержание водяного пара вокруг частицы реагента остается постоянным до тех пор, пока не начнется спонтанная конденсация. Относительная влажность может быть рассчитана по формуле , (3) где Ев,Т - давление насыщенного водяного пара над поверхностью воды при температуре Т. Если в облаке то Для спонтанного ядрообразования требуется, чтобы относительная влажность была больше критической (fв > fкр). Критическую влажность можно рассчитать по формуле , (4) где σп-в - поверхностная энергия натяжения между паром и водой. Выполнен расчет распределения температуры Т, относительной влажности fв и критической влажности fкр при внесении в облако температурой Т1=263К частицы реагента радиусом R=2мм по формулам (2-4). Размер зоны спонтанного конденсации определялся как расстояние от поверхности частицы до точки пересечения fв и fкр. Результаты расчетов влажности представлены на рис.1. Рис.1. Распределение влажности вокруг частицы хладореагента Из анализа графиков на рис.1 можно сделать вывод о том, что вблизи частицы реагента наблюдаются наибольшие значения влажности и по мере удаления от частицы влажность уменьшается, стремясь к значению fв=1. Оказалось, что условия для спонтанного образования зародышевых частиц наблюдаются лишь в очень узкой зоне вблизи частицы реагента - ширина зоны составила около 3 мм. Диапазон температур от поверхности реагента до границы зоны спонтанной конденсации составляет 194÷233К. В пересыщенном водяном паре теоретически существуют условия для спонтанного образования зародышевых капель и ледяных кристаллов. Далее рассмотрим вероятность образования водяных и ледяных зародышей в этой зоне. Предположим, что при исходной температуре водяной пар насыщен Размер жизнеспособного зародыша при этом то есть гомогенный процесс невозможен. При понижении температуры пара относительная влажность станет увеличиваться, а значение в соответствии с уравнением Кельвина, уменьшаться [3]. При произвольной температуре (5) где - газовая постоянная водяного пара, отношение - текущая относительная влажность. Размер жизнеспособного ледяного зародыша в паре можно рассчитать по формуле (6) где , Ел,Т - давление насыщенного водяного пара над поверхностью льда при температуре Т. На рис.2 представлены графики зависимости радиусов жизнеспособных водяных и ледяных зародышей от влажности, рассчитанных по формулам (5), (6). Рис.2. Зависимость размеров жизнеспособных зародышей от влажности Так, с повышением влажности воздуха наблюдается уменьшение размеров зародышей, причем при одной и той же влажности размер жизнеспособного ледяного зародыша больше, чем водяного. Это объясняется различием молекулярной структуры воды и льда. Для формирования жизнеспособного ледяного зародыша необходимо затратить больше энергии по сравнению с зародышевой капелькой воды. В реальных условиях будут образовываться зародыши той фазы, для которой будет больше скорость нуклеации, которая в свою очередь, определяется различием энергии образования зародышевых капелек и ледяных кристаллов. Поскольку энергия образования капель меньше, чем энергия образования кристаллов, то в пересыщенном паре с большей вероятностью должны образовываться зародышевые капельки воды. Для определения условий равенства скоростей нуклеации капель и кристаллов, найдем влажность воздуха, при которой оно наблюдается fв=л (вывод формулы см. в [3]). (7) где σп-л - поверхностная энергия натяжения между паром и водой. Рис.3. Зависимость влажности от температуры На рис. 3 представлены результаты расчета fв, fкр и fв=л по формулам (3), (4), (7). Условия образования ледяных зародышей в пересыщенном паре определяются условием fв=л > fв > fкр, тогда как водяных зародышей при fв>fв=л. Анализ графиков на рис. 3 указывает на то, что в диапазоне представленных температур 194÷233К вблизи поверхности частицы реагента наблюдается формирование преимущественно зародышевых капелек воды. Таким образом, наиболее вероятным механизмом образования ледяных зародышей является замерзание зародышевых капель при низких температурах около поверхности реагента. Автор планирует дальнейшее исследование гомогенного механизма формирования ледяных кристаллов в окрестностях гранул хладореагентов. В заключение можно сделать следующие выводы: 1) Ширина зоны спонтанной конденсации вокруг частицы реагента составляет 3мм; 2) Теоретические размеры зародышевых ледяных кристаллов превышают размеры водяных зародышей, следовательно, энергия их образования будет больше; 3) В пересыщенном паре вблизи поверхности реагента образуются преимущественно зародышевые капельки воды, которые быстро замерзают при низких температурах у поверхности реагента.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.