В умеренных и высоких широтах часто наблюдается выделение льда на поверхности наземных предметов—гололёд, иней и проч., или его выпадение из воздуха — град, снег и проч. Этот лёд возникает из воды, находящейся в воздухе, и называется атмосферным льдом. Процессы формирования льда в атмосфере отличаются большим разнообразием. Атмосферный лёд до последнего времени был изучен совершенно недостаточно. Вследствие этого, даже наши дни, в литературе, как популярной, так и научной, часто встречаются неточные объяснения условий образования различных видов атмосферного льда. Однако накопленный фактический материал наблюдений позволяет существенно уточнить картину льдообразования в атмосфере. В настоящей статье мы ограничимся рассмотрением льда. возникающего на поверхности земли или достигающего её в виде осадкой.
Основная масса льда, образующеюся в атмосфере, связана с переохлаждённой водой. Даже сублимационные кристаллы льда в подавляющем большинстве случаев возникают внутри переохлаждённого облака или тумана за счет перекачки пара с капель на кристалл. Лишь при очень низких температурах (ниже—МТ) сублимация в отсутствии капель переохлаждённой воды начинает играть заметную роль. Температурная граница переохлаждения облаков и туманов до сих пор точно не установлена. Невидимому, она лежит в ряде случаев ниже—40°. Переохлаждённая вода при кристаллизации выделяет большое количество скрытой теплоты. Крупные капли, диаметром порядка миллиметра, которые не бывают сильно переохлаждёнными, замерзают медленно: теплоотдача при небольшом морозе невелика, а тепла выделяется много. При ударе о предмет подобная капля растекается, сливается с другими и постепенно замерзает. В результате получается сплошной покров стекловидно-прозрачною льда: голодёд, град. Совершенно иначе ведут себя мелкие капли переохлаждённой воды размером в сотые доли миллиметра, особенно при температуре —10, —20°. Запас тепла в них мал. Разность температур замерзающей капли (0°) и воздуха велика. Относительная величина поверхности капли большая. Поэтому такие капли замерзают очень быстро. Соударение их друг с другом создаёт губчатые образования из бисера ледяных шариков, соприкасающихся между собой. По внешности этот «водный лед», т. е. лёд, образованный замерзанием воды, а не сублимацией пара, весьма напоминает уплотнённый снег. Зёрна льда рассеивают свет и тем создают характерный матово-белый, снежный вид этого льда. Объёмная плотность его невелика в несколько раз меньше плотности воды. Этот зернистый лёд очень распространён в природе: плотная изморозь, снежная крупа и т. п. Сублимационный рост скелетных ледяных кристаллов с правильной зеркальной огранкой, происходящий внутри мелкокапельнон части облака, сменяется оседанием капель на кристалл при его попадании в крупнокапельную среду. В итоге образуется смешанный сублимационно-водный лёд. В микроскоп видно, как к плоским граням кристалла примёрзли отдельные зёрна льда. Иногда количество этих намёрзших зёрен бывает столь велико, что сам кристалл уже не виден. Таким образом, переохлаждённая вода даёт целую гамму ледяных образований: оплошной прозрачный лёд, губчатый зернистый и, наконец, сублимационный кристаллический. Всё многообразие видов атмосферного льда сводится, с физической точки зрения, к этим трём его типам. Два пути образования льда, из четырёх рассмотренных выше, — сублимация внутри переохлаждённого тумана и сублимация в отсутствии тумана дают одинаковые кристаллы льда. Две формы осадков водного льда — стекловидные и зернистые, резко различаются по внешнему виду. В то же время зернистый водный лёд и сублимационный внешне похожи друг на друга. Наблюдатели природы часто отождествляют их, несмотря на различную физическую природу этих явлений. При этом ошибочно полагается, что весь лёд, исключая стекловидную форму, имеет сублимационное происхождение. Годовое количество атмосферного льда, образующегося на земных предметах и выпадающего из атмосферы, состоит, по нашим наблюдениям в Ленинграде, в равной мере из водного и сублимационного льда. Водный атмосферный лёд образуется почти целиком за счёт замерзания переохлаждённой воды. Таким образом, переохлаждённая вода в атмосфере даёт половину всей массы атмосферного льда в виде водного льда и почти целиком остальную половину — в виде сублимационного льда, выросшего внутри переохлаждённых облаков или туманов. Атмосферный лёд обязан своим существованием почти исключительно переохлаждённой воде.
Классификация видов атмосферного льда
Обилие видов атмосферного льда и условий его образования уже давно побуждали многих исследователей создавать классификации атмосферного льда. Глубоко теоретически обоснованная, но краткая классификация была предложена в 1933 г. акад. В. И. Вернадским, а позднее Б. П. Вейнбергом. В настоящее время есть возможность дать более полную классификацию, которая и приводится в прилагаемой таблице. Эта классификация, однако, не претендует на исчерпывающую полноту и является в известной мере дискуссионной. В перечень не включён ещё один тип наземного обледенения — наслоение выпадающего льда, т. е. образование снежного покрова, так как здесь нет новообразования льда. Преобразование покровного снега — это уже область процессов не в атмосферном, а в наземном льде. Однако способность влажного снега удерживаться на вертикальных и прутбвидных частях предметов, что особенно характерно для отложений атмосферного льда, заставляет для более полной характеристики последних попутно рассмотреть и это явление. Перейдём к рассмотрению процессов формирования атмосферного льда. Вначале рассмотрим отложения льда, возникающего на земных предметах, а затем — выпадение твёрдых форм осадков. Отложение льда иначе называется обледенением предмета.
Обледенение предметов, имеющих более низкую отрицательную температуру, чем воздух
Разность температуры между предметом и воздухом вызывается несколькими причинами. Излучение тепла понижает температуру поверхности предметов и приводит при её отрицательной температуре к образованию покрова правильных сублимационных кристаллов радиационного инея. Температура воздуха на высоте 2 м над почвой при инее бывает по крайней мере от +5 до —50°. При внезапном сильном морозе тёплый воздух, поднимающийся из почвы и насыщенный влагою, выделяет на поверхности почвы сублимационный лёд, внешне похожий на радиационный иней. Это редкое явление «инеевых цветов» было впервые описано Б. Г. Ивановым в 1939 г. На льду водоёмов подобные образования морозных, ледяных цветов представляют частое явление. Инеевые цветы, питаемые водяным паром почвенного или водоёмного происхождения, являются скорее почвенным льдом, чем атмосферным. Заиневение одежды человека и шерсти животных при большом морозе вполне аналогично образованию инеевых цветов. Резкое потепление после морозной погоды вызывает выделение на поверхности тел, обладающих - большой термической инерцией, сублимационного кристаллического налёта. Форма кристаллов налёта совершенно подобна форме кристаллов радиационного инея. Возникает налёт на термически инерционных предметах при температурах воздуха от +3 до —20—30°. Туман с ветром при небольшой положительной температуре воздуха даёт образование плотного зернистого налёта, который состоит из замёрзших капель тумана, оледеневших от соприкосновения с холодной поверхностью предмета. Если после длительного мороза наступает оттепель со слабым дождём или моросью, то на термически инерционных телах возникает стекловидный ледяной налёт, внешне напоминающий гололёд. Все три вида налётов возникают лишь при потеплении и только на массивных предметах: крупные камни, чугунные постаменты, глубоко вбитые в дерево гвозди и т. п.
О роли отечественных учёных в исследовании атмосферного льда
Лёд атмосферного происхождения стал систематически изучаться лишь в конце прошлого и в начале текущего века; при этом роль отечественной науки была особенно велика. Наиболее совершенные методы исследования были применены впервые именно в России, Первые в мире фотографии снежинок, опубликованные в 1892 г., принадлежат рыбинскому любителю А. Сигсону.Первые экспериментальные исследования атмосферного льда делались русскими учёными. И. А. Пульман в 1905 г. под Курском произвёл серию экспериментов в природе и выяснил важные закономерности нарастания изморози. Б. П. Вейнберг в 1910 г. разработал метод консервирования градин и изучения их шлифов. В 1911 г. В. Дудецкий и И. Сидоров искусственно воспроизвели ледяной дождь и взрывчатый град. Б. П. Вейнберг в 1935 г. дал правильное объяснение образования снежных гирлянд смерзанием снега. Характерно, что даже через 10 лет после этого, в 1946 г., американцы пользовались неверным объяснением этого явления — слипанием мокрого снега, данным американскими учёными. Подобных примеров приоритета отечественной науки в исследовании атмосферного льда много. Не обошлось дело и без приписывания иностранцам открытий русских учёных. Остановимся на одном случае. В 1873 г. И. Догель опубликовал работу, объясняющую прохождение скелетных форм снежинок. Немецкий физик Леман в 1888 г. привёл рисунок И. Догеля и результат его работы без указания автора, хотя в ссылках на работы немецких авторов у него недостатка не было. Впоследствии иностранные исследователи, цитировавшие «Молекулярную физику» Лемана, например Вегенер, приписал и рисунок и результат работы И. Догеля. Эта вопиющая несправедливость перешла вместе с переводами в Россию и стала широко повторяться в отечественной литературе. Атмосферный лёд, знанием о котором мы столь обязаны отечественным учёным, таит в себе ещё много неизвестного. Неотложной задачей геофизики является всесторонее изучение атмосферного льда, воздействие которого приходится испытывать каждому.
Роль переохлаждённой воды в развитии атмосферного льда
Основная масса льда, образующеюся в атмосфере, связана с переохлаждённой водой. Даже сублимационные кристаллы льда в подавляющем большинстве случаев возникают внутри переохлаждённого облака или тумана за счет перекачки пара с капель на кристалл. Лишь при очень низких температурах (ниже—МТ) сублимация в отсутствии капель переохлаждённой воды начинает играть заметную роль. Температурная граница переохлаждения облаков и туманов до сих пор точно не установлена. Невидимому, она лежит в ряде случаев ниже—40°. Переохлаждённая вода при кристаллизации выделяет большое количество скрытой теплоты. Крупные капли, диаметром порядка миллиметра, которые не бывают сильно переохлаждёнными, замерзают медленно: теплоотдача при небольшом морозе невелика, а тепла выделяется много. При ударе о предмет подобная капля растекается, сливается с другими и постепенно замерзает. В результате получается сплошной покров стекловидно-прозрачною льда: голодёд, град. Совершенно иначе ведут себя мелкие капли переохлаждённой воды размером в сотые доли миллиметра, особенно при температуре —10, —20°. Запас тепла в них мал. Разность температур замерзающей капли (0°) и воздуха велика. Относительная величина поверхности капли большая. Поэтому такие капли замерзают очень быстро. Соударение их друг с другом создаёт губчатые образования из бисера ледяных шариков, соприкасающихся между собой. По внешности этот «водный лед», т. е. лёд, образованный замерзанием воды, а не сублимацией пара, весьма напоминает уплотнённый снег. Зёрна льда рассеивают свет и тем создают характерный матово-белый, снежный вид этого льда. Объёмная плотность его невелика в несколько раз меньше плотности воды. Этот зернистый лёд очень распространён в природе: плотная изморозь, снежная крупа и т. п. Сублимационный рост скелетных ледяных кристаллов с правильной зеркальной огранкой, происходящий внутри мелкокапельнон части облака, сменяется оседанием капель на кристалл при его попадании в крупнокапельную среду. В итоге образуется смешанный сублимационно-водный лёд. В микроскоп видно, как к плоским граням кристалла примёрзли отдельные зёрна льда. Иногда количество этих намёрзших зёрен бывает столь велико, что сам кристалл уже не виден. Таким образом, переохлаждённая вода даёт целую гамму ледяных образований: оплошной прозрачный лёд, губчатый зернистый и, наконец, сублимационный кристаллический. Всё многообразие видов атмосферного льда сводится, с физической точки зрения, к этим трём его типам. Два пути образования льда, из четырёх рассмотренных выше, — сублимация внутри переохлаждённого тумана и сублимация в отсутствии тумана дают одинаковые кристаллы льда. Две формы осадков водного льда — стекловидные и зернистые, резко различаются по внешнему виду. В то же время зернистый водный лёд и сублимационный внешне похожи друг на друга. Наблюдатели природы часто отождествляют их, несмотря на различную физическую природу этих явлений. При этом ошибочно полагается, что весь лёд, исключая стекловидную форму, имеет сублимационное происхождение. Годовое количество атмосферного льда, образующегося на земных предметах и выпадающего из атмосферы, состоит, по нашим наблюдениям в Ленинграде, в равной мере из водного и сублимационного льда. Водный атмосферный лёд образуется почти целиком за счёт замерзания переохлаждённой воды. Таким образом, переохлаждённая вода в атмосфере даёт половину всей массы атмосферного льда в виде водного льда и почти целиком остальную половину — в виде сублимационного льда, выросшего внутри переохлаждённых облаков или туманов. Атмосферный лёд обязан своим существованием почти исключительно переохлаждённой воде.
Классификация видов атмосферного льда
Обилие видов атмосферного льда и условий его образования уже давно побуждали многих исследователей создавать классификации атмосферного льда. Глубоко теоретически обоснованная, но краткая классификация была предложена в 1933 г. акад. В. И. Вернадским, а позднее Б. П. Вейнбергом. В настоящее время есть возможность дать более полную классификацию, которая и приводится в прилагаемой таблице. Эта классификация, однако, не претендует на исчерпывающую полноту и является в известной мере дискуссионной. В перечень не включён ещё один тип наземного обледенения — наслоение выпадающего льда, т. е. образование снежного покрова, так как здесь нет новообразования льда. Преобразование покровного снега — это уже область процессов не в атмосферном, а в наземном льде. Однако способность влажного снега удерживаться на вертикальных и прутбвидных частях предметов, что особенно характерно для отложений атмосферного льда, заставляет для более полной характеристики последних попутно рассмотреть и это явление. Перейдём к рассмотрению процессов формирования атмосферного льда. Вначале рассмотрим отложения льда, возникающего на земных предметах, а затем — выпадение твёрдых форм осадков. Отложение льда иначе называется обледенением предмета.
Обледенение предметов, имеющих более низкую отрицательную температуру, чем воздух
Разность температуры между предметом и воздухом вызывается несколькими причинами. Излучение тепла понижает температуру поверхности предметов и приводит при её отрицательной температуре к образованию покрова правильных сублимационных кристаллов радиационного инея. Температура воздуха на высоте 2 м над почвой при инее бывает по крайней мере от +5 до —50°. При внезапном сильном морозе тёплый воздух, поднимающийся из почвы и насыщенный влагою, выделяет на поверхности почвы сублимационный лёд, внешне похожий на радиационный иней. Это редкое явление «инеевых цветов» было впервые описано Б. Г. Ивановым в 1939 г. На льду водоёмов подобные образования морозных, ледяных цветов представляют частое явление. Инеевые цветы, питаемые водяным паром почвенного или водоёмного происхождения, являются скорее почвенным льдом, чем атмосферным. Заиневение одежды человека и шерсти животных при большом морозе вполне аналогично образованию инеевых цветов. Резкое потепление после морозной погоды вызывает выделение на поверхности тел, обладающих - большой термической инерцией, сублимационного кристаллического налёта. Форма кристаллов налёта совершенно подобна форме кристаллов радиационного инея. Возникает налёт на термически инерционных предметах при температурах воздуха от +3 до —20—30°. Туман с ветром при небольшой положительной температуре воздуха даёт образование плотного зернистого налёта, который состоит из замёрзших капель тумана, оледеневших от соприкосновения с холодной поверхностью предмета. Если после длительного мороза наступает оттепель со слабым дождём или моросью, то на термически инерционных телах возникает стекловидный ледяной налёт, внешне напоминающий гололёд. Все три вида налётов возникают лишь при потеплении и только на массивных предметах: крупные камни, чугунные постаменты, глубоко вбитые в дерево гвозди и т. п.
О роли отечественных учёных в исследовании атмосферного льда
Лёд атмосферного происхождения стал систематически изучаться лишь в конце прошлого и в начале текущего века; при этом роль отечественной науки была особенно велика. Наиболее совершенные методы исследования были применены впервые именно в России, Первые в мире фотографии снежинок, опубликованные в 1892 г., принадлежат рыбинскому любителю А. Сигсону.Первые экспериментальные исследования атмосферного льда делались русскими учёными. И. А. Пульман в 1905 г. под Курском произвёл серию экспериментов в природе и выяснил важные закономерности нарастания изморози. Б. П. Вейнберг в 1910 г. разработал метод консервирования градин и изучения их шлифов. В 1911 г. В. Дудецкий и И. Сидоров искусственно воспроизвели ледяной дождь и взрывчатый град. Б. П. Вейнберг в 1935 г. дал правильное объяснение образования снежных гирлянд смерзанием снега. Характерно, что даже через 10 лет после этого, в 1946 г., американцы пользовались неверным объяснением этого явления — слипанием мокрого снега, данным американскими учёными. Подобных примеров приоритета отечественной науки в исследовании атмосферного льда много. Не обошлось дело и без приписывания иностранцам открытий русских учёных. Остановимся на одном случае. В 1873 г. И. Догель опубликовал работу, объясняющую прохождение скелетных форм снежинок. Немецкий физик Леман в 1888 г. привёл рисунок И. Догеля и результат его работы без указания автора, хотя в ссылках на работы немецких авторов у него недостатка не было. Впоследствии иностранные исследователи, цитировавшие «Молекулярную физику» Лемана, например Вегенер, приписал и рисунок и результат работы И. Догеля. Эта вопиющая несправедливость перешла вместе с переводами в Россию и стала широко повторяться в отечественной литературе. Атмосферный лёд, знанием о котором мы столь обязаны отечественным учёным, таит в себе ещё много неизвестного. Неотложной задачей геофизики является всесторонее изучение атмосферного льда, воздействие которого приходится испытывать каждому.
