Зарождение и рост кристаллов льда в атмосфере

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 Δc_i/c_i и уменьшаются при увеличении абсолютного пересыщения Δc_i = c_i – c_a. 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.