Зарождение и рост кристаллов льда в атмосфере


https://doi.org/10.15356/2076-6734-2013-1-53-60

Полный текст:


Аннотация

Ледяные кристаллы в атмосфере зарождаются в результате конденсации водяного пара на аэрозольных частицах и гетерогенной кристаллизации микроскоплений переохлаждённой воды в неоднородностях их поверхности. Габитус кристаллов, соизмеримых с длиной свободного пробега молекул (102 нм), соответствует теореме Гиббса–Вульфа и уравнению Томсона–Гиббса. Для последующего роста возникшего кристалла необходимо, чтобы содержание водяного пара в атмосфере превышало равновесную концентрацию пара, которую для каждой грани можно охарактеризовать уравнением Клапейрона–Клаузиса с учётом её поверхностной энергии. Предложена диаграмма морфологии снежинок в зависимости от абсолютного и относительного пересыщения атмосферы водяным паром относительно льда. Установлено, что соотношения между высотой H и поперечным размером атмосферных кристаллов D возрастают при повышении относительного пересыщения Δci/ci и уменьшаются при увеличении абсолютного пересыщения Δci = ci – ca. Отношение H/D изменяется постепенно, чем и объясняется условность разграничения снежинок на типы на основе этого показателя. В зависимости от величины H/D поле относительного и абсолютного пересыщения можно подразделить на две части: 1) область столбчатых форм – H/D > 0,89; 2) область пластинчатых кристаллов – H/D < 0,89. Столбчатые и игольчатые формы можно охарактеризовать как низкотемпературные, а пластинчатые, короткостолбчатые и неправильные – как высокотемпературные. Многообразие форм атмосферных кристаллов льда подразделяется на четыре основные группы: сплошные пластинчатые; сплошные столбчатые; дендритные пластинчатые; пустотные столбчатые.


Об авторе

В. Н. Голубев
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Россия


Список литературы

1. Артемьев А.Н. Взаимодействие атмосферы и подстилающей поверхности на Антарктическом плато. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, 107 с.

2. Астапенко П.Д. Атмосферные процессы в высоких широтах Южного полушария. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 282 с.

3. Вульф Ю.В. Избранные работы по кристаллофизике и кристаллографии. М.-Л.:, Гостехиздат, 1952. 430 с.

4. Гиббс Д.В. Термодинамические работы. М.Л.: Гостехиздат, 1950. 492 с.

5. Голубев В.Н. Условия образования льда в природе и равновесная форма совершенных кристаллов льда // Вопросы криологии Земли. М.: Наука, 1976. С. 68–81.

6. Голубев В.Н. Закономерности формирования структуры ледяных образований на поверхности твердых тел // Гляциологич. исследования. 1981. No 26. С. 60–66.

7. Голубев В.Н. Кинетика и механизм гомогенной кристаллизации воды // Проблемы инженерной гляциологии. Новосибирск: Наука, 1986. С. 5–10.

8. Голубев В.Н. Структурное ледоведение: Теоретические основы конжеляционного льдообразования. М.: Изд-во МГУ, 1999. 104 с.; Структурное ледоведение: Строение конжеляционных льдов. М.: Изд-во МГУ, 2000, 88 с.

9. Довгалюк Ю.А., Першина Т.А. Атлас снежинок (снежных кристаллов). СПб.: Гидрометеоиздат, 2005. 130 с.

10. Заморский А.Д. Атмосферный лед. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 377 с.

11. Кеплер И. О шестиугольных снежинках. М.: Наука, 1983. 192 с.

12. Клинов Ф.Я. Вода в атмосфере при низких температурах. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 171 с.

13. Козлова О.Г. Рост и морфология кристаллов. М.: Изд-во МГУ, 1980. 368 с.

14. Лодиз З., Паркер Р. Рост монокристаллов. М.: Мир, 1974. 540 с.

15. Мазин И.П., Шметтер С.М. Облака, строение и физика образования. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 279 с.

16. Стрикленд-Констэбл Р. Кинетика и механизм кристаллизации. Л.: Недра, 1971. 310 с.

17. Стулов Н.Н. Кристаллы льда // Зап. Всес. минерал. общ-ва. 1949. Т. 78. No 3. С. 56–71.

18. Теоретические основы инженерной геологии: Физикохимические основы. М.: Недра, 1985. 288 с.

19. Хонигман Б. Рост и форма кристаллов. М.: Изд-во иностр. литературы, 1961. 224 с.

20. Шумский П.А. Основы структурного ледоведения. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 492 с.

21. Angell C.A. The properties of supercooled water // Journ. of Chemical Physics. 1971. V. 75. P. 3698–3705.

22. Bailey M., Hallett J. Growth rates and habits of ice crystals between −20 °C and −70 °C // Journ. of the Atmospheric Sciences. 2004. V. 61. Р. 514–544.

23. Bailey M., Hallett J. A comprehensive habit diagram for atmospheric ice crystals: confirmation from the laboratory, AIRS II, and other field studies // Journ. of the Atmospheric Sciences. 2009. V. 66. Р. 2888–2899.

24. Fletcher N.H. The Chemical Physics of Ice. Cambridge: Univ. Press, 1970. 271 p.

25. Golubev V.N. Ice Formation in Freezing Grounds. Ground Freezing 97, Frost Action in Soils / Еd. Sv. Knutsson, A.A. Balkema. Rotterdam, Brookfield, 1997. Р. 87–91.

26. Hobbs P.V. Ice Physics. Oxford: Clarendon Press, 1974. 836 p.

27. Kobayashi T. On the variation of ice crystal habit with temperature // The Physics of snow and ice / Ed. H. Oura. Sapporo, 1967. V. 1. P. 1. P. 95–104.

28. Levi L., Nasello O.B. A discussion of mechanisms proposed to explain habit changes of vapor-grown ice crystals // Atmospheric Research. 2003. No 66 (1–2). Р. 107–122.

29. Magono C., Lee C.W. Meteorological classification of natural snow crystals // Journ. of the Faculty of Science. Hokkaido University. 1966. Ser. 7 (Geophysics). No 2. Р. 321–335.

30. Nakaya U. Snow Crystals: Natural and Artificial. Cambridge: Harvard University Press, 1954. 510 р.

31. Reuck A.V. de. The surface free energy of ice // Nature. 1957. No 179 (4570). Р. 1119–1120.

32. Rowlinson J.S. The lattice energy of ice and second viral coefficient of water vapour // Trans. Farad. Soc. 1951. V. 47. P. 120–129.

33. Yosida Z. Surface Structure of Ice Crystal and Its Equilibrium Form, International // The Physics of snow and ice / Ed. H. Oura. Sapporo, 1967. V. 1. Pt. 1. P. 1–19.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Голубев В.Н. Зарождение и рост кристаллов льда в атмосфере. Лёд и Снег. 2013;53(1):53-60. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2013-1-53-60

For citation: Golubev V.N. Nucleation and growth of ice crystals in the atmosphere. Ice and Snow. 2013;53(1):53-60. (In Russ.) https://doi.org/10.15356/2076-6734-2013-1-53-60

Просмотров: 492

Обратные ссылки

  • Обратные ссылки не определены.


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2076-6734 (Print)
ISSN 2412-3765 (Online)