Физические свойства упорядоченного водного аэрозоля - капельного кластера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат наук Джуманджи, Варвара Анатольевна

• Джуманджи, Варвара Анатольевна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Джуманджи, Варвара Анатольевна

Оглавление

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Параметры и источники неводных атмосферных аэрозолей

1.2. Размеры частиц в атмосферных аэрозолях

1.3. Аэрозольные частицы - ядра конденсации воды и льда

1.4. Теоретические представления о зародышеобразовании воды

и льда

1.5. Конденсационный рост водных частиц

1.6. Коагуляционный рост капель воды

1.7. Образование облаков

1.8. Влияние аэрозолей на атмосферные процессы

1.9. Открытие пространственно упорядоченного кластера

из капель воды

1.10. Механизмы межкапельного взаимодействия в кластере

1.11. Выводы

Глава 2. Экспериментальная установка и методики измерений

2.1. Блок-схема экспериментальной установки

2.2. Методика получения кластера

2.3. Конструкция нагревателя

2.4. Методика регистрации температуры

2.5. Методика создания подсветки кластера

2.6. Методика создания электрического поля в области

локализации кластера

2.7. Методика измерения межфазного электрического тока

и потенциала при испарении воды

2.8. Методика регистрации изображений и измерения линейных размеров капель

2.9. Выводы

Глава 3. Структура и геометрические параметры капельного кластера

3.1 Экспериментальные результаты

3.2 Гравитационно-стоксовский механизм левитации капель

3.3. Выводы

Глава 4. Электрические свойства капель воды в капельном кластере

4.1. Результаты электрических опытов

4.2. Межфазные электрические потенциал и ток при испарении

воды

4.3. Обсуждение результатов

4.3.1. Экранирование поля плоского заряда движущейся плазмой

♦ 4.3.2. Расчет заряда капель в капельном кластере

4.3.3. Обсуждение второго типа поведения капель кластера

4.3.4. Механизм межкапельного взаимодействия

4.3.5. Оценка заряда капли при испарении и конденсации

4.4. Выводы

Глава 5. Существование пространственно упорядоченных

капельных структур в естественной атмосфере

5.1. Численная оценка возможности существования капельных структур в облаках и туманах

5.2. Поверхностное натяжение облака

5.3. Механизм влияния капельных структур на тепломассоперенос

в атмосфере

5.4. Примеры наблюдения упорядоченных капельных структур

в атмосфере

5.5. Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физические свойства упорядоченного водного аэрозоля - капельного кластера»

Введение

Водные аэрозоли представляют собой взвеси микроскопических капель воды размером от долей до десятков и сотен микрон в атмосферном воздухе. Они широко распространены в виде дымки, туманов и облаков в слое, простирающемся от поверхности земли на высоту до десятков километров. Водные аэрозоли играют чрезвычайно важную роль в формировании погоды и климата всей Земли. Действительно, с одной стороны, аэрозоли управляют величиной альбедо системы «земная поверхность - атмосфера» и поддерживают его значение в пределах 0,3-0,4. В результате, часть коротковолновой солнечной радиации отражается от земной поверхности в космос и температура поверхности снижается. С другой стороны, водные аэрозоли захватывают значительную часть длинноволнового излучения земной поверхности и направляют его назад к поверхности, приводя к росту температуры (парниковый эффект). С третей стороны, фазовые переходы воды в атмосфере и на поверхности земли также влияют на энергетический баланс между поверхностью земли, атмосферой и космосом.

До недавних пор считалось, что капли воды в водных аэрозолях взаимодействуют друг с другом путем столкновений, а дальнодействующее взаимодействие между каплями на расстояниях, превышающих сумму радиусов капель, отсутствует. Но в 2004 году появилось первое сообщение о том, что капли воды в водном аэрозоле в лабораторных условиях могут образовывать пространственно упорядоченную структуру - капельный кластер [1] (с межкапельным расстоянием около 3-6 радиусов капель), подобно способности частиц пыли образовывать пылевой кристалл в комплексной плазме или способности пространственного упорядочения коллоидных частиц в растворах. В работе [2] было показано, что капельные кластеры обладают поверхностным натяжением и вязкостью, которая при низкой турбулентности среды может на порядок превышать вязкость чистого воздуха. В связи с этим возникает

закономерный вопрос: могут ли существовать пространственно упорядоченные структуры в естественных природных условиях - атмосферных облаках и туманах? Способны ли эти структуры влиять на механические свойства атмосферы, на скорость переноса в атмосфере тепла и массы, на стабильность переходных слоев между атмосферой и другими оболочками Земли (гидросферой, литосферой, криосферой, биосферой и т.д.) и на скорость теплообмена между ними? В какой степени процессы капельного упорядочения в аэрозолях способны влиять на погоду и климат? Для того, чтобы ответить на подобные вопросы необходимы детальные знания физических свойств капельных кластеров, механизмов их образования и длительного существования, распространенности кластеров и других более сложных упорядоченных капельных структур в реальной атмосфере, механизмов влияния данных структур на теплофизические атмосферные характеристики. В настоящее время капельные кластеры исследованы слишком мало, и ответов на сформулированные вопросы пока нет. Но необходимость их исследования очевидна, т.к. полученные знания о возможностях структурного упорядочения атмосферных аэрозолей могут привести к существенному улучшению качества существующих численных моделей циркуляции атмосферы Земли, а также для улучшения точности прогнозирования погоды и климата.

Цель исследования

Целью настоящей диссертационной работы в свете перечисленных вопросов явилось экспериментальное исследование геометрических и электрических свойств упорядоченного водного аэрозоля - капельного кластера в широкой области температур.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Создать экспериментальную установку для получения капельных кластеров в широком интервале температур. Разработать методику визуальных наблюдений, фото- и видео-регистрации кластеров с использованием оптической микроскопии и видеоаппаратуры. Разработать методику измерения геометрических размеров кластеров.

2. Измерить геометрические размеры кластеров (диаметр капель, межкапельное расстояние, высоту левитации кластера) при различных температурах.

3. Разработать методику приложения электрического поля к области пространства, занятой капельным кластером. Измерить вариацию геометрических параметров кластера в полях положительной и отрицательной полярности при различных температурах.

4. Выполнить анализ полученных экспериментальных данных. На основе опытных данных вычислить электрический заряд капель воды в кластере. Проанализировать механизмы левитации кластера и межкапельного взаимодействия

5. Проанализировать распространенность пространственно упорядоченных структур в атмосфере, используя количественные оценки, и обсудить механизмы их влияния на перенос тепла и массы.

Научная новизна

- Впервые изучены такие геометрические характеристики капельного кластера в широкой области температур как средние диаметр капель, высота левитации, межкапельное расстояние и закономерности отношения между данными характеристиками.

- Впервые измерен электрический заряд капель в капельном кластере и установлено правило расположения капель кластера на расстоянии двух радиусов Дебая друг от друга.

- Впервые численно обоснована возможность существования упорядоченных капельных структур в атмосферных облаках и туманах и механизм их влияния на перенос тепла и массы.

Практическая значимость работы

Анализ полученных данных позволил выдвинуть и численно обосновать механизм межчастичного взаимодействия в капельном кластере, ответственный за пространственное упорядочение капель. Численно обоснована возможность существования упорядоченных капельных структур в атмосфере и механизм их влияния на ее теплофизические свойства. Полученные результаты могут послужить основой для совершенствования и уточнения современных численных моделей циркуляции атмосферы в макро-, мезо, и микромасштабе, а также для улучшения качества прогнозирования погоды и климата.

Защищаемые положения

На защиту выносятся

1. Экспериментальная установка и комплекс методик измерения характеристик капельного кластера, в том числе методик получения кластера, регистрации температуры поверхности воды, создания подсветки капель, приложения электрического поля к капельному кластеру, измерения межфазного электрического тока и потенциала при испарении воды, регистрации изображений, измерения диаметра капель, межкапельного расстояния и высоты левитации капель над поверхностью воды.

2. Результаты измерения геометрических характеристик капельного кластера в широкой области температур. Математическое доказательство гексагонального упорядочения капель в кластере. Численное обоснование гравитационно-стоксовского механизма левитации капель над поверхностью подогретой воды.

3. Результаты исследования электрических свойств капельного кластера. Измерение электрического заряда капель. Определение правила расположения капель в кластере на расстоянии двух радиусов Дебая друг от друга.

4. Численное обоснование возможности существования пространственно упорядоченных структур из капель воды в атмосферных облаках и туманах, их влияния на поверхностное натяжение облаков и механизм влияния капельных структур на тепломассоперенос в атмосфере посредством увеличения вязкости воздуха и подавления конвекции.

Степень достоверности результатов, полученных при изучении водного аэрозоля, подтверждена использованием традиционных экспериментальных методик, большим количеством и высокой повторяемостью полученных результатов измерений, использованием методов математической физики для обработки данных, численным согласованием полученных результатов с результатами измерений параметров родственных аэрозолю объектов - пылевых структур в физике пылевой плазмы.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах Института криосферы Земли СО РАН, на научно-практических конференциях ТГНГУ (Тюмень, 2009, 2010, 2011), на всероссийской научной конференции «Фундаментстройаркос» (Тюмень, 2010), на X международной конференции по мерзлотоведению (Салехард, 2012)

Публикации

По результатам исследований опубликованы четыре работы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ и одна работа в материалах международной конференции:

1. Shavlov A.V., Dzhumandzhi V.A. Spatially ordered structures in storm clouds and fogs // Physics Letters A, 2010, v.374, p.2561-2565.

2. Шавлов А.В., Джуманджи В.А., Романюк С.Н. Пространственно упорядоченные структуры из капель воды в атмосферных облаках // Криосфера Земли, 2011, T.XV, №4, с.52-54.

3. Shavlov A.V., Dzhumandzhi V.A., Romanyuk S.N. Electrical properties of water drops inside the dropwise cluster // Physics Letters A, 2011, v.376, p.39-45

4. Шавлов A.B., Джуманджи B.A. Геометрические параметры кластера из капель воды // ЖЭТФ, 2012, том 14, вып.2, стр.288-291.

5. Shavlov A.V., Dzhumandzhi V.A., Romanyuk S.N. Water in form of spatially ordered droplets near the vapor-water boundary. Proceeding of the tenth international conference on permafrost. Salekhard, Yamal-Nenets autonomous district, Russia, June 25-29, 2012, p. 385-387.

Личный вклад соискателя

Защищаемая работа - итог четырехлетней деятельности автора в качестве непосредственного исполнителя научно-исследовательских и опытно-методических работ по структурным и электрическим свойствам водного аэрозоля. Все материалы получены лично автором, им также проанализированы и обобщены данные, полученные другими исследователями.

Глава 1. Обзор литературы

В современной научной литературе принято считать источником водных аэрозолей водяной пар и атмосферные аэрозоли, состоящие из твердых микроскопических частиц. Эти частицы служат эффективными ядрами зародышеобразования капель воды и кристаллов льда в атмосфере. Последние определяют альбедо атмосферы и парниковый эффект, определяющие погоду и климат Земли.

В обзоре литературы рассмотрим современные научные представления о процессах образования твердочастичных аэрозолей в атмосфере, механизмы зародышеобразования воды и льда, укрупнение капель с течением времени, возникновение облаков и механизмы влияния облаков на климат Земли. Рассмотрим также недавно обнаруженное свойство водных аэрозолей, в лице капельного кластера, образовывать пространственно упорядоченные структуры, вязкость которых превышает вязкость воздуха, и способы их влияния на механические и теплофизические свойства атмосферы. Задачей обзора литературы является обоснование цели диссертационного исследования капельных структур, сформулированной во Введении.

1.1. Параметры и источники неводных атмосферных аэрозолей

К аэрозольным частицам в атмосфере [3] относятся как частицы, состоящие из нескольких молекул (кластеры), имеющие диаметр порядка 1 нм, так и крупные пылинки, витающие в воздухе, диаметром в несколько десятков микрон. По размерам различают три класса аэрозольных частиц: мелкодисперсные (г < 0,1 мкм), среднедисперсные (0,1 мкм < г < 1 мкм) и грубодисперсные ( г > 1 мкм). Часть мелкодисперсной фракции, которая обладает гигроскопическими свойствами, называется ядрами конденсации.

Источниками аэрозолей являются поверхности суши, морей и океанов, метеоритные потоки, лесные пожары, химические и фотохимические реакции в атмосфере и растительном покрове, хозяйственная деятельность человека.

Почвы, включая поверхности степей, пустынь, гор, представляют собой наиболее мощный источник аэрозольных частиц. По массе почва дает около 50% всех аэрозольных частиц в атмосфере. Максимум распределения частиц почвенного происхождения по размерам, как правило, находится в субмикронной области, но возможны также максимумы в области размеров 1 мкм < г < 5 мкм. Частицы почвенного происхождения с радиусами меньше 0,1 мкм могут образовываться на поверхности почвы при кристаллизации солей, растворенных в грунтовых водах [4]. Интенсивное выделение мелких частиц в атмосферу происходит на солончаковых почвах. По измерениям, проведенным в пустыне Кара-Кумы, вклад солончаков в общее содержание аэрозолей составляет примерно 20 30 % [5, 6].

Второй мощный источник аэрозольных частиц - морская поверхность, дающая по массе приблизительно 20 % вещества диспергированной фазы.

о

Концентрация солевых частиц над океаном может достигать 100 см" , но в среднем составляет 1 см"3. Максимум в распределении по размерам приходится на солевые частицы диаметром около 0,3 мкм. Частицы морского происхождения могут проникать далеко вглубь суши. На поверхности океана в тонком слое (порядка одного микрона) концентрируются также органические поверхностно-активные вещества и масла. Образование и разрыв мелких пузырьков на морской поверхности приводит к тому, что кроме морских солей в воздух поступают также частицы из органического вещества. Они могу играть важную роль в оптических явлениях в приводном слое атмосферы [7,8].

Третьим мощным источником пылевой материи являются вулканы, которые выбрасывают в атмосферу колоссальное количество дыма и вулканического пепла. Эти частицы вместе с газами вулканического происхождения поднимаются в атмосферу на высоту более 20 км, причем самые мелкие частицы могут существовать в стратосфере на протяжении нескольких лет. Среднегодовая

мощность поставки вулканической пыли в атмосферу составляет примерно в 108 т. Кроме того, сернистый газ, выбрасываемый в стратосферу (10 т/год), вступает в химические и фотохимические реакции с различными газовыми и аэрозольными компонентами атмосферы, в результате чего образуются новые аэрозольные частицы - сернокислотные и сульфатные [9, 10].

Менее мощным источником пыли является материя внеземного происхождения. В атмосферу выпадает 100 н- 200 млн. метеоритов или около (1 5)'10б т космического вещества в год. Доля пылевой материи внеземного происхождения составляет приблизительно 10 % от общего содержания аэрозольных частиц в нижней стратосфере, с высотой увеличиваясь до 80 -=- 100% [11].

Весьма эффективным источником мелкодисперсных фракций органических

о

аэрозолей служит растительность. Биосфера ежегодно выделяет в атмосферу 10 т терпеноподобных и слабо окисленных углеводородов, что дает естественный фон

о

примерно в 3 т 6 мкг/м [10]. В аэрозольное состояние переходит лишь часть углеводородов и других органических соединений, главным образом в результате фотохимических реакций [13, 14].

о

Промышленные предприятия являются источником сернистого газа: до 10 т/год [3].

Источником аэрозолей являются также продукты лесных пожаров, главным образом сажа и пепел, которые могут поглощать заметную долю падающей на Землю солнечной радиации [15]. Количество сажи в атмосфере Земли, в значительной степени отвечающей за глобальные изменения климата, в последнее столетие непрерывно растет.

Большое внимание в работах, посвященных исследованию воздушных загрязнений, уделяется автомобильному транспорту. В выхлопных газах автомобиля обычно содержится очень большое количество разнообразных частиц диаметром 0,02 ч- 0,06 мкм и небольшое - крупных. В среднем общая масса этих твердых частиц составляет около 0,08% от массы потребляемого двигателем горючего. Заслуживают также внимания как источник аэрозолей в стратосфере и

верхней тропосфере продукты сгорания авиационного топлива. Мощность этого источника примерно (1 -=- 5)ТО6 т/год, причем величина массы аэрозольного и газообразного вещества, попадающего в атмосферу, в последние годы непрерывно растет [16].

Суммарное количество аэрозольного вещества, выделяющегося в земную атмосферу, составляет 109 ч- 1010 т/год. Соотношение между аэрозольными веществами различного происхождения сильно изменяется в пространстве и зависит как от распределения и мощности источников аэрозолей, так и от времени существования аэрозольных частиц разного происхождения. В стратосфере время жизни наиболее мелких частиц составляет около трех лет, в тропосфере оно гораздо меньше - от нескольких месяцев до дней, в зависимости от дисперсности частиц и их физико-химических свойств. Так, время жизни аэрозольных частиц, образующихся из продуктов реакций сернистого газа с другими веществами, примерно пять дней, других гигроскопических аэрозольных частиц - несколько больше, но примерно того же порядка. Время жизни аэрозолей промышленного происхождения также близко к этой величине и приблизительно равно 30 дням, а малогигроскопичных и нерастворимых частиц (при г< 5 мкм) 2 т 4 месяца. Наиболее крупные аэрозольные частицы с г>10 мкм существуют меньше суток [17].

Исчезновение аэрозолей из атмосферы происходит в основном в результате вымывания аэрозольных частиц облаками, туманами, осадками, а также в результате сухого осаждения на препятствиях и седиментации [3]. Эффективность процесса очищения воздуха осадками определяется эффективностью переноса примесей к месту очищения (облакам и туманам), внутриоблачным очищением элементами облака (вымывание облаками), подоблачным очищением осадками (вымывание осадками). Вымывание в облаках и подоблачном слое зависит от нескольких факторов: 1) размера и концентрации частиц в атмосфере; 2) размера и концентрации облачных и дождевых капель, действующих как коллекторы; 3) запаса жидкой воды в облаке при непрерывной конденсации; 4) значения рН и химического состава облачной и дождевой воды; 5) степени растворимости газов

и частиц в водных каплях. Особенно эффективно происходит вымывание гигроскопических и смешанных частиц.

1.2. Размеры частиц в атмосферных аэрозолях

Выделяют три общих типа распределения частиц по размерам в тропосфере [3, 5]: фоновый, океанический и континентальный. Фоновый тип распределения аэрозоля по размерам имеет максимум вблизи радиуса частиц ОД мкм. Фоновая концентрация типична для очень чистого воздуха и предполагается равной 700

о

см" . Самый нижний слой воздуха над океанами, высотой около 2 км, содержит морские частицы. Океанический тип распределения частиц по размерам отличается от фонового в интервале радиусов от 0,5 до 20 мкм, в котором концентрация частиц океанического типа увеличивается по сравнению с фоновой за счет частиц, возникающих из морских брызг. Общая концентрация этих частиц морского происхождения невелика, меньше 10 см" [7]. В нижней тропосфере над сушей предполагается репрезентативным третий тип распределения частиц по размерам - континентальный с максимумом вблизи значений радиуса З'Ю" мкм. Счетная концентрация частиц в этом случае возрастает до 104 см"3 в сельских местностях, до 3-104 см"3 - в небольших городах и превышает 105 см"3 - в крупных. Распределение частиц с г < 0,1 мкм считается неопределенным [5,18].

Вдали от крупных промышленных районов можно предполагать горизонтальную однородность распределения аэрозолей [3]. Для высоких слоев атмосферы (Н > 5 км) масштабы однородности не менее 200 300 км. В приземном слое существенную роль играют рельеф и тип подстилающей поверхности. Счетная концентрация всех аэрозольных частиц - величина весьма

5 3-3

неустойчивая, изменяющаяся на два-три порядка: от 10 до 10 см" . Гораздо более постоянна концентрация больших аэрозольных частиц: она изменяется от 3-10 до

О

1 см" в зависимости от района измерений, но в точке измерений меняется обычно не больше, чем на порядок величины. Концентрация частиц с г > 0,2 мкм

л

изменяется от 100 до 1 см" . Средние значения концентрации при

о

метеорологической дальности видимости около 20 км - 150 см" для частиц с г > 0,1 мкм и 30 см"3 для частиц с г > 0,2 мкм.

В самом нижнем слое толщиной в несколько десятков-сотен метров, концентрация больших частиц испытывает резкое падение, а дальше почти во всей тропосфере изменяется незначительно: с высоты 1 - 2 км до тропопаузы всего в несколько раз. Причем часто наличие аэрозольных слоев характерно для средней тропосферы.

Аэрозольные слои практически всегда [3] располагаются выше или ниже высот инверсии и изотермий, где резко ослаблена турбулентность и отсутствует конвективный перенос воздушных масс, т.е. подинверсионные аэрозольные слои образуются в результате подъема аэрозольного вещества из приземного слоя атмосферы, а надинверсионные слои - в результате опускания аэрозолей вулканического и космического происхождения, а также аэрозолей, образующихся при работе авиационных двигателей и в результате фотохимических реакций. В тропосфере уровни наиболее вероятного появления аэрозольных слоев обычно соответствуют высотам наиболее вероятного появления облачности. В средних широтах такими высотами являются уровни: 2 ч- 2,5 км, 6 ч- 7 км и 10 ч- 12 км.

В соответствии с расчетами скорости размывания аэрозольных слоев турбулентной диффузией, слои должны очень быстро исчезать: за 2 ч- 4 ч. Но экспериментально неоднократно доказывалось стабильное существование слоев [3, 5]. Поэтому, приходится признать неудовлетворительность имеющихся теоретических схем расчетов вертикального профиля аэрозолей.

1.3. Аэрозольные частицы - ядра конденсации воды и льда

Конденсация воды в реальной атмосфере всегда происходит на твердых аэрозольных частицах. Различают три типа частиц, на которых образуется жидкая водяная фаза и которые называют, поэтому, ядрами конденсации [3]:

1) гигроскопические частицы, растворяющиеся в воде;

2) смачиваемые, но не растворяющиеся частицы;

3) не вполне смачивающиеся частицы.

Зарождение капель на гигроскопических ядрах хорошо изучено экспериментально и теоретически. Рост капли раствора гигроскопического вещества благодаря эффекту Рауля может идти при довольно низких значениях относительной влажности (/), меньших влажности насыщения над чистой водой, например, для раствора А1аС1 / > 75 %. При адсорбции водяного пара на поверхности смачиваемых частиц образуется тонкая пленка воды, и частицы становятся зародышевой каплей. Такая частица-капля может расти в условиях сравнительно небольшого пересыщения, так как уже при г > 0,5 мкм величина влажности насыщения над выпуклой поверхностью (Е(г)) почти не отличается от влажности насыщения над плоской поверхностью (£(00)). Частицы с дефектами поверхности покрываются пленкой воды на вогнутых участках, в которых конденсируется влага при относительных влажностях, меньших 100 %.

В качестве гигроскопических ядер, в первую очередь, выступают солевые частицы континентального и местного происхождения. В качестве нерастворимых смачиваемых ядер - частицы почвы и горных пород, дыма, органических веществ, микроорганизмы. Эти ядра в основном континентального происхождения. Массовая концентрация их значительно больше, чем гигроскопичных ядер. Содержание ядер третьего типа в атмосфере также велико. К плохо смачиваемым относятся частицы сажи и кремнезема.

Часто аэрозольные частицы в атмосфере образуют так называемые смешанные ядра - конгломерат мелких ядер различных типов. Такие частицы по своей способности расти и образовывать водяные капли похожи на гигроскопические ядра.

Концентрация ядер конденсации изменяется в широких пределах даже в приземном слое атмосферы. В среднем можно считать, что на континентах концентрация ядер у земной поверхности составляет 104 частиц/см3, а в городах

с т

доходит до 10 частиц/см . С высотой концентрация ядер убывает приблизительно в 10 раз на каждые 2 км. Концентрация ядер в облаке оказывается существенно

меньше, чем под облаком и выше его. Очевидно, что этот факт обусловлен захватом каплями и кристаллами облака ядер конденсации. Анализ проб, взятых в ледяных облаках, показывает, что в кристаллах льда почти всегда имеется большое количество захваченных ядер.

Доминирующим механизмом образования кристаллов льда из переохлажденных капель является замерзание. Некоторые из аэрозольных частиц могут служить центрами кристаллизации переохлажденной воды, т.е. так называемыми ядрами кристаллизации. Замерзанию капель способствует адсорбция ими ядер кристаллизации.

Облачные капли обычно существуют в жидком состоянии при температуре значительно ниже О С [3]. Облака, состоящие из водяных капель, как правило, наблюдаются до температуры -10 С, а иногда и до -35 С, в лаборатории мельчайшие капельки (с г < 5 мкм) хорошо очищенной воды удается переохладить даже до -40 С. Такое состояние переохлаждения метастабильно. Оно обусловлено отсутствием ядер кристаллизации. Следовательно, устойчивость облаков при t < -15 С говорит о малочисленности эффективных естественных ядер кристаллизации в атмосфере.

Эксперименты в камере Вильсона показали, что ни одно вещество не способствует созданию ледяных кристаллов при насыщении надо льдом, а при насыщении над водой образование кристаллов наблюдается. На этом основании делают вывод о том, что ледяные кристаллы без вмешательства жидкой фазы не образуются, а замерзание начинается с твердого нерастворимого ядра кристаллизации. Особенно эффективно стимулируется замерзание переохлажденных капель введением в туман частиц Agi и РЫ2 [3].

1.4. Теоретические представления о зародышеобразовании воды и льда

Однородные системы переходят из одного фазового состояния в другое через метастабильное состояние [19, 20] (пар — переохлажденный пар — жидкость, жидкость — перегретая жидкость — пар). Переохлажденный пар

(пересыщенный, пересжатый), перегретая жидкость, переохлажденная жидкость — примеры метастабильных состояний соответственно пара и жидкости. Метастабильное состояние является термодинамически неравновесным, но может сохраняться в течение достаточно продолжительного времени.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Джуманджи, Варвара Анатольевна, 2013 год

Список литературы

1. Федорец A.A. Капельный кластер. // Письма в ЖЭТФ, 2004, т. 79, №:8, с. 457-459.

2. Shavlov A.V., Dzhumandzhi V.A., Romanyuk S.N. Frictional flow of dropwise cluster. // Physica Scripta, 2012, v. 86, 055501.

3. Ивлев Jl.C., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999 г., 188 с.

4. Twomey S. Atmospheric Aerosols. Amsterdam, Elsevier, 1977, 348 p.

5. Ивлев Jl.C. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. Л.: Изд. ЛГУ, 1982, 366 с.

6. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.В. Атмосферный аэрозоль. Л.: Гидрометеоиздат, 1983, 224с.

7. Ивлев Л.С. Структурные и оптические характеристики морских аэрозолей. //Прикладные вопросы физики атмосферы, 1989, с. 113-121.

8. Аэрозольные исследования в экспедиции "Беринг" // Ивлев Л.С., Дмоховский В.И., Иванов В.А., Соломатин В.К. Труды Гл. геофиз. Обсерв., 1975, вып. 363, с. 37-43.

9. Кэйдл Р. Твердые частицы в атмосфере. М., 1969, 284 с.

10. Ивлев Л.С. Микроструктурные особенности аэрозолей вулканического происхождения. // Оптика атмосферы и океана, т.9, № 8, 1996, с. 1039-1057.

11. Стыро Б.И. Самоочищение атмосферы от радиоактивных загрязнений. Л.: Гидрометеоиздат, 1968, 293 с.

12. Went F.W. Organic matter in the atmosphere and its possible relation to petroleum formation. // Proc. Nat. Acad. Sei. U.S., 1960. Vol. 46, № 2, p. 212.

13. Ивлев Л.С. Гетерогенная химия нижней атмосферы. Проблемы физики атмосферы, вып. 20. Физика и химия атмосферных аэрозолей. СПб.: Изд. СПбГУ, 1997, с. 54-80.

14. Altshuller A.P., Bufallini J.J. Photochemical aspects of air pollution. // Environm. And Sci. Technol., 1971, vol. 5, № 1, p. 39-63.

15. Непреднамеренные воздействия на климат. Под ред. М.И. Будыко. Л.: Гидрометеоиздат, 1974, 260 с.

16. Ивлев Л.С. Структура аэрозолей в стратосфере. Сб. Параметризация некоторых видов непреднамеренного и направленного воздействия на атмосферу. Л., 1984, с. 74-89.

17. Janicke R. Aerosol physics and chemistry. In Landolf-Bernstein, Numerical Data and Functional Relationships in Sciene and Technology. New Series. Group V, G.Fischer (Ed.), 1988, vol. 4, p. 391-457.

18. Креков Г.М., Рахимов Р.Ф. Оптико-локационная модель континентального аэрозоля. Новосибирск: Наука, 1982, 198 с.

19. Pruppacher Н, Klett J.D. Microphysics of Clouds and Precipitation. D. Reidel. Publ. Co., 1978,714 р.

20. Zettlemoyer A.C. Nucleation. Dekker, 1969, № 4, s. 606

21.Kiang C.S. et al. Ternary nucleation applied to gas-to-particle conversion. // J. Aerosol Sci., 1975, vol. 6, № 6, p. 465-478.

22.Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, 365 с.

23. Кирюхин Б.Ф., Красиков П.Н. Дождь и снег по воле человека. Л.: Гидрометеоиздат, 1963, 186 с.

24. Литвинов Г.И. Осадки в атмосфере и на поверхности земли. Л.: Гидрометеоиздат, 1980, 208 с.

25. Волощук В.М. Кинетическая теория коагуляции. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, 284 с.

26. Волощук В.М., Седунов Ю.С. Процессы коагуляции в дисперсных системах. Л.: Гидрометеоиздат, 1975, 320 с.

27. Грин X., Лейн В. Аэрозоли — пыли, дымы и туманы. Л.:Химия, 1969, 429 с.

Ill

28. Бериташвили Б.Ш., Довгалюк Ю.А. К вопросу о взаимодействии развивающегося кучевого облака с окружающей средой. // Труды ГГО, 1973, вып. 302, с. 24-30.

29. Бериташвили Б.Ш., Довгалюк Ю.А. О пересыщении пара в развивающемся мелкокапельном облаке. // Труды ГГО, 1966, вып. 186, с. 113-119.

30. Довгалюк Ю.А. Некоторые особенности динамики развития конвективных облаков. // Метеорология и гидрология, 1968, вып. 6, с. 39-47.

31. Довгалюк Ю.А., Станкова E.H. Динамический аспект оценки стадий жизни кучево-дождевого облака. Труды ВГИ, 1989, вып. 76, с. 29-35.

32. Довгалюк Ю.А., Зинченко A.B. К решению задачи восстановления вертикального профиля осадков из слоисто-образных облаков. // Труды ГГО, 1981, вып. 439, с. 17-23.

33. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию. М.: Мир, 1987, 278 с.

34. Плауде Н.О. Исследование льдинообразующих свойств аэрозолей иодистого серебра и йодистого свинца. Труды ЦАО, 1967, вып. 80, с. 1-80.

35. Шметер С.М. Физика конвективных облаков. JL: Гидрометеоиздат, 1972, 230 с.

36. Матвеев J1.T. Основы метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, 751 с.

37. Баранов В.Г., Веремей Н.Е., Власенко С.С., Довгалюк Ю.А. Численная нестационарная модель конвективного облака, содержащегося твердые аэрозольные частицы. // Вестник СПбГУ, сер. 4 (Физика и химия), 1997, вып. 3, с. 23-30.

38. Баранов В.Г., Довгалюк Ю.А., Станкова E.H. О возможности численного моделирования воздействия на конвективные облака с использованием нестационарной модели. // Труды ГГО, 1984, вып. 482, с. 35-42.

39. Горшков В.Г. Термическая устойчивость климата. // Изв. РГО, 1994, т. 126, вып. 3, с. 26-35.

40. Федорец А. А. О механизме некоалесценции в капельном кластере. // Письма в ЖЭТФ, 2005, т. 81, вып. 9, с. 551-555.

41. Аринштейн Э. А., Федорец А. А. Механизм рассеяния энергии капельным кластером. // Письма в ЖЭТФ, 2010, т. 92, вып. 10, с. 726-729.

42. Shavlov А. V., Dzhumandzhi V. A. Spatially ordered structures in storm clouds and fogs. // Phys. Lett. A, 2010, v. 374, p. 2561-2565.

43. Шавлов A.B. Механизм межфазной электризации при испарении и конденсационном росте льда и воды. // Криосфера земли, 2008, т.ХП, №2, с.52-59.

44. Шавлов А.В. Разделение заряда при испарении и конденсационном росте льда и воды. // Кристаллография, 2008, т.53, №6, с.1138-1144.

45. Shavlov A.V., Dzhumandzhi V.A. Electrostatic attraction of charged drops of water inside dropwise cluster. // Physics of Plasmas, 2013, v. 20, 083707.

46. Ignatov A.M. Lesage gravity in dusty plasmas. // Plas. Phys. Rep., 1996, v. 22(7), p. 585-589.

47. Цытович B.H. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака // УФН,

1997, т. 167, с. 57-99.

48. Tsytovich V N, Khodataev Y К, Bingham R. Dusty plasmas // Comments Plasma Phys. Control. Fusion, 1996, v. 17, p. 249.

49. Khrapak S. A., Ivlev A. V., Morfill G. Interaction potential of microparticles in a plasma: Role of collisions with plasma particles // Phys. Rev. E, 2001, v. 64, 0464031-0464037.

50. Lampe M. et al. Interactions between dust grains in a dusty plasma. // Phys. Plasmas, 2000, v. 7, 3851.

51. Tsytovich V. N. et al. Dusty plasmas // Comments Plasma Phys. Control. Fusion,

1998, v. 18, p. 281.

52. Lemons D. S. et al. Two-dimensional wake potentials in sub- and supersonic dusty plasmas. // Phys. Plasmas, 2000, v. 7, 2306.

53. Melandsu F., Goree J. Polarized supersonic plasma flow simulation for charged bodies such as dust particles and spacecraft // Phys. Rev. E, 1995, v. 52, 53125326.

54. Maiorov S. A., Vladimirov S. V., Cramer N. F. Plasma kinetics around a dust grain in an ion flow // Phys. Rev. E, 2001, v. 63, 017401.

55. Winske D. Nonlinear wake potential in a dusty plasma // IEEE Trans. Plasma Sci., 2001, PS-29, 191.

56. Lapenta G. Nature of the force field in plasma wakes // Phys. Rev. E, 2002, v. 66, 026409.

57. Vladimirov S V, Maiorov S A, Ishihara O. Molecular dynamics simulation of plasma flow around two stationary dust grains/ // Phys. Plasmas, 2003, v. 10, 3867.

58. Цытович B.H. Физика коллективного притяжения отрицательно заряженных пылевых частиц. // ПЖЭТФ, 2003, т. 78, вып. 12, с. 1283-1288.

59. De Angelis U., Ivlev A.V., Morfill G.E., Tsytovich V.N. Stochastic heating of dust particles with fluctuating charges. // Phys Plasmas, 2005, v. 12, 052301.

60. Tsytovich V. N., de Angelis U., Ivlev A. V., Morfill G. E., and Khrapak S. Nonlinear drag force in dusty plasmas. // Phys Plasmas, 2005, v. 12, 112311.

61. Ratynskaia S., de Angelis U., Khrapak S., Klumov В., and Morfill G. E. Electrostatic interaction between dust particles in weakly ionized complex plasmas. // Phys Plasmas, 2006, v. 13, 104508.

62. De Angelis U., Regnoli G., Ratynskaia S. Long-range attraction of negatively charged dust particles in weakly ionized dense dust cloud. // Phys Plasmas, 2010, v. 17, 043702.

63. Shavlov A.V., Dzhumandzhi, V. A., Romanyuk, S.N.70

64. Electrical properties of water drops inside the dropwise cluster. // Physics Letters A, 2011, v. 376 p. 39-45.

65. Shavlov A.V., Romanyuk, S.N., Dzhumandzhi, V. A. Effective charge and effective radius of water droplet in dropwise cluster. // Phys. Plasmas, 2013, v. 20,023703.

66. Шавлов A.B., Джуманджи В.А. Геометрические параметры кластера из капель воды. // ЖЭТФ, 2012, том14, вып.2, стр.288-291.

67. Исихара А., Статистическая физика, пер. с англ., М.: Мир, 1973.

68. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика, т. 6. Гидродинамика. Издание 5-е. М.: Физматлит, 2001, 736 с.

69. Ткачев А.Н., Яковленко С.И. Электронные облака заряженных макрочастиц. // ЖТФ, 1999, т. 69, вып. 1, с. 53-57.

70. Fortov Y.E. et al Dusty plasmas. // Phys.—Usp., 2004, v. 47, p. 447^492.

71. Hamaguchi S. Dusty plasmas // Comments Plasma Phys. Control. Fusion, 1997, v. 18, p. 95.

72. Шавлов A.B., Джуманджи B.A., Романюк C.H. Пространственно упорядоченные структуры из капель воды в атмосферных облаках. // Криосфера Земли, 2011, T.XV, №4, с.52-54.

73. Shavlov A.V., Dzhumandzhi V.A., Romanyuk S.N. Water in form of spatially ordered droplets near the vapor-water boundary. Proceeding of the tenth international conference on permafrost. Salekhard, Yamal-Nenets autonomous district, Russia, June 25-29, 2012, p. 385-387.

74. Имянитов И. M., Чубарина Е. В., Электричество свободной атмосферы, Л.: Гитрометеоиздат, 1965.

75. Атмосфера. Справочник. Под ред. О.В. Лапина, О.Д. Рейнгеверц. Л.: Гидрометеоиздат, 1991, 510 с.

76. Степанянц Ю.А, Фабрикант А.Л. Распространение волн в сдвиговых гидродинамических течениях. // УФН, 1989, т. 159, вып. 1, с. 83-123.