О МЕХАНИЗМЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГРАДА (В ПОРЯДКЕ ДИСКУССИИ)

О МЕХАНИЗМЕ ОБРАЗОВАНИЯ ГРАДА (В ПОРЯДКЕ ДИСКУССИИ)

Исмаилов Сохраб Ахмедович

д-р хим. наук, ст. науч. сотр. Института нефтехимических процессов АН Азербайджанской Республики,

Азербайджан, г. Баку

ON THE MECHANISM OF HAIL FORMATION (IN ORDER OF DISCUSSION)

Sokhrab Ismailov

Doctor of Chemical Sciences, Senior Researcher at the Institute of Petrochemical Processes of the Academy of Sciences of the Republic of Azerbaijan,

Azerbaijan, Baku

АННОТАЦИЯ

В статье опровергается теория образования града по Декарту, принятая сейчас метеорологами, и выдвигается новая теория. Молния играет ключевую роль в образовании града. Молния - это адиабатический процесс и разряд ее вызывает резкое снижение внутренней энергии воды, что приводит к замерзанию и образованию града. Из-за мгновенной вспышки молнии вода не кристаллизуется и переходит в непрозрачную аморфную форму.

ABSTRACT

The article refutes the theory of hail formation according to Descartes, which is now accepted by meteorologists, and puts forward a new theory. Lightning plays a key role in hail formation. Lightning is an adiabatic process and its discharge causes a sharp decrease in the internal energy of water, which leads to freezing and hail formation. Due to the instantaneous flash of lightning, the water does not crystallize and turns into an opaque amorphous form.

Ключевые слова: вода, молния, град, облако, аморфное.

Keywords: water, lightning, hail, cloud, amorphous

Известно, что трудно защититься от любого природного явления, способного нанести вред человечеству, не зная его причины. Давайте перейдем к главному. Мне кажется, что одним из таких событий градобитие. Теория града Декарта, предложенная Всемирной метеорологической организацией с 1956 года, полностью устарела. Представив его вам как есть, давайте продолжим нашу дискуссию:

«Поднимающийся от земной поверхности в жаркий летний день теплый воздух охлаждается с высотой, а содержащаяся в нем влага конденсируется, образуется облако. Переохлажденные капли в облаках встречаются даже при температуре -40 °C (высота примерно 8—10 км). Но эти капли очень нестабильны. Поднятые с земной поверхности мельчайшие частицы песка, соли, продукты сгорания и даже бактерии при столкновении с переохлажденными каплями нарушают хрупкий баланс. Переохлажденные капли, вступившие в контакт с твердыми частицами, превращаются в ледяной зародыш градины.

Мелкие градины существуют в верхней половине почти каждого кучево-дождевого облака, но чаще всего такие градины при приближении к земной поверхности тают. Так, если скорость восходящих потоков в кучево-дождевом облаке достигает 40 км/ч, то они не в силах удержать зародившиеся градины, поэтому, проходя сквозь теплый слой воздуха на высоте от 2.4 до 3.6 км, они выпадают из облака в виде мелкого «мягкого» града либо и вовсе в виде дождя. В противном случае восходящие потоки воздуха поднимают мелкие градины до слоев воздуха с температурой от –10 °C до –40 °C (высота между 3 и 9 км), диаметр градин начинает расти, достигая порой нескольких сантиметров. Стоит отметить, что в исключительных случаях скорость восходящих и нисходящих потоков в облаке может достигать 300 км/ч! А чем выше скорость восходящих потоков в кучево-дождевом облаке, тем крупнее град.

Для образования градины размером с шар для гольфа потребуется более 10 миллиардов переохлажденных капель воды, а сама градина должна оставаться в облаке как минимум 5—10 минут, чтобы достичь столь крупного размера. Надо заметить, что на формирование одной капли дождя необходим примерно миллион таких мелких переохлажденных капель. Градины диаметром более 5 см встречаются в суперячейковых кучево-дождевых облаках, в которых наблюдаются очень мощные восходящие воздушные потоки. Именно суперячейковые грозы порождают смерчи-торнадо, сильные ливни и интенсивные шквалы. Град выпадает обычно при сильных грозах в теплое время года, когда температура у поверхности Земли не ниже 20 °C».

Лично я ничего не понял. Во-первых, черные облака, образующие град, имеют высоту около 1 км и никогда не возникают на высоте 8-12 км, как говорил Декарт, проходя на 3,6-4 км выше нулевой точки. Во-вторых, большинство метеорологов сегодня отождествляют снежинки с градинами. Например, говорят, что градины бледного цвета, в отличие от прозрачных кристаллов льда, потому что они встречаются и сливаются со снегом. Я говорю, что образование града бледного цвета связано с образованием аморфной массы при внезапной вспышке молнии. Аморфные камни имеют серый цвет. Теория Декарта гласит, что вода кристаллизуется в верхних слоях атмосферы (8-10 км) после встречи с пылью, песком, продуктами сгорания и даже бактериальными частицами, которые еще не замерзли при -40 ⁰С, а несколько раз (~13 раз). они летают вверх и вниз, остается в воздухе около 5-10 минут и затем падает на землю. Как вы можете согласиться с этой идеей? Ведь если бы само облако состояло из мелких частиц льда температурой -40 ⁰С, они сами могли бы быть центрами кристаллизации. С другой стороны, возникает вопрос: почему это происходит в жаркие летние дни? Соглашусь, что летом влажность большая и поэтому появляются кучево-дождевые облака.

Я представляю статью, которую отправил в журнал «Метеорология и гидрология» (Москва), как она есть.

1. Введение

На протяжении веков человечество страдало от стихийных бедствий. Одно из стихийных бедствий - град. Его ежегодный ущерб оценивается в несколько миллиардов долларов. Град наносит ущерб в основном сельскохозяйственной продукции, животным, растениям, фруктам и овощам, воздушной и наземной технике, строительным компаниям и жилым домам.

Географическое расположение града - самый тропический и самый жаркий климат. Град часто встречается в Индии, Пакистане, Китае, Южной Америке и Средней Азии. Большой град считается более устрашающим. Например, в 1593 году во французской провинции град в 18-20 мил фунтов стерлингов нанес ущерб сельскому хозяйству, ряду зданий и убил животных и людей. В Колорадо, США, ежегодно бывает до шести гроз с градом. В 1939 году град величиной с куриное яйцо в Нальчикской области России уничтожил более 60 гектаров зерновых полей и убил 2000 овец. Особенно поражает размер градин. В Индии и Китае наблюдается до 2–3 кг града. Сообщается, что в Индии слоны погибли от градин. В 1984 году 92 человека погибли от градин в провинции Гопалгани, Бангладеш. Это стихийное бедствие занесено в Книгу рекордов Гиннеса. В 1988 году здесь от градин погибло 250 человек. Градина с весом 3,5 кг была зарегистрирована в 1939 году в Канзасе, США.

2. Актуальность работы

Все это свидетельствует о том, что ущерб, нанесенный градом жизни человека, не менее важен, чем другие необычные природные явления. Судя по этому, всестороннее изучение и поиск причины его образования с привлечением современных физико-химических методов исследования, а также борьба с этим кошмарным явлением являются актуальными задачами для человечества во всем мире.

3. Условия для образования града

Заранее отмечу, что до сих пор нет правильного и положительного ответа на этот вопрос. Теория Декарта, выдвинутая в начале семнадцатого века, используется до сих пор [13]. Пока не принято никаких новых научных гипотез и теорий. Хотя по этому поводу были высказаны новые взгляды, они не были приняты. Иногда град путают с крупинкой снега. Правда, снег - это замерзшая форма воды, похожая на град. Однако они различаются по своим физическим параметрам, например, снег мягкий, а град - ледяной и твердый. Итак, механизм их образования должен быть другим:

1. Почему град бывает жарким летом, а не зимой?

2. Иногда град падает на землю в виде большой массы льда.

3. Град выпадает ненадолго (в течение 5-20 минут), не часами или днями, как снег.

4. Обычно град бывает днем, а не ночью.

5. Град появляется только при сильном разряде молнии в кучево-дождевых облаках. Последние относительно влажны и накапливаются близко к поверхности Земли (не более 2-3 км). В это время начинается сначала град, а потом сильный дождь, обратный процесс не происходит. Наше внимание привлек последний вариант.

Выяснилось, что в результате разряда молнии выделяются миллиарды джоулей тепла, после чего температура повышается до 30 000 ° К. Конечно, в таких условиях молекулы воздуха и воды распадаются на ионные частицы и превращаются в плазму, а затем немедленно рекомбинируя возвращаются в свое прежнее нейтральное состояние [6.с.35]. Резкое уменьшение внутренней энергии воды при разряде молнии заставляет ее замерзнуть по известному закону физики и превратить в лед. Интересно, что количество энергии, генерируемой при разряде молнии, исходит не извне, а изнутри самой системы, т.е. процесс является адиабатическим. В данном случае система: представляет собой диэлектрическую каплю воды в электростатическом поле. Во время этого процесса интенсивное выделение внутренней энергии из воды приводит к ее немедленному замерзанию. В этот момент вес градин зависит от силы удара молнии - сильный разряд молнии образует крупный град.

В этом случае прохождение нулевых изотерм капель воды нельзя считать существенным. Я приведу пример, чтобы доказать это. В 1990 году я летел из Минска в Санкт-Петербург ночью. По словам бортпроводника, самолет летел на высоте 9 км. Над нами сияли луна и звезды. Внизу была тьма, и часто был свет, как будто шли огненные залпы. Оказывается, это был удар молнии. Когда мы приземлились в аэропорту, то увидели, что вокруг град. Об этом инциденте нам тоже сообщили из самолета. Таким образом, для образования градин не обязательно, чтобы кучево-дождевые облака поднималось на 12-20 км над холодным слоем. Как известно, град заканчивается через 5-20 минут. Когда разряд молнии прекращается, он также исчезает. Есть закон физики: интенсивное выделение энергии из системы приводит к ее резкому охлаждению.

Химики знают о процессе превращения диоксида углерода (CO₂) из ​​жидкости в твердое вещество (сухой лед). Этот процесс похож на процесс образования града. Поскольку жидкий углекислый газ при комнатной температуре внутри металлического цилиндра быстро выходит из узкого отверстия, испаренный газ падает на землю в виде белых снежинок (сухой лед). Быстрое испарение CO₂ вызывает охлаждение до -80 °C, который превращается в сухой лед [12.с.28].

4. Как отразить град

Чтобы предотвратить стихийное бедствие, в том числе град, нужно знать его источник. Использование ложных защит, основанных на общепринятой теории (теории Декарта), существующей с семнадцатого века, не приводит к благоприятному исходу. В настоящее время основным методом защиты от града является разрушение облака различными ракетами и артиллерийским огнем. При этом используются даже некоторые химические компоненты (CO₂, AgCl, NaCl, тетраалкиламмоний) [1-4, 8-11.с.221]. На наш взгляд, пожалуй, единственный способ сделать это - предотвратить возникновение молнии или снизить ее интенсивность. Для этого можно использовать следующее устройство (рис. 1):

Рисунок 1. Противоградовая установка

Как видно из рис.1, для предотвращения разряда молнии нужно использовать громоотвод, изобретенный известным американским ученым Бенджамином Франклином. Статические электрические нагрузки, накопленные в облаке, должны передаваться на землю по металлическому проводу. Таким образом, можно избавиться от града. Лучше всего использовать в этом процессе легкий и негорючий газообразный гелий.

5. Почему град матовый?

Часто возникает вопрос: почему цвет градины тусклый, в отличие от прозрачного льда? Некоторые специалисты объясняют это сочетанием частиц льда со снегом и воздухом [5, 7-8]: «Когда град диаметром около 10 см поднимается в потоке воздуха со скоростью не менее 200 км в час, частицы воздуха и снега падают на град и делают его тусклым. Если скорость воздуха уменьшается, град свободно кристаллизуется и превращается в прозрачный лед. Как видно из рис. 2, на самом деле град матовый и прозрачный

Рисунок 2. Аморфная агрегатная форма льда

Однако, на наш взгляд, это может быть связано с разными причинами. Разряды молнии происходят за тысячную долю секунды. За это время капли воды не успевают кристаллизоваться и они приобретают аморфное состояние. Установлено, что, аморфный лед получается путем охлаждения воды со скоростью 10^{7 0}К в секунду [14.с.265]. Молниеносная скорость полностью соответствует этому событию. При разряде молнии вода внезапно теряет большую часть своей внутренней энергии и сначала принимает форму аморфного льда, а затем его поверхность превращается в кристаллический лед, соединяя дополнительные капли воды. Образование градин весом в несколько килограммов можно объяснить высоким давлением, создаваемым молнией (рис. 3).

Рисунок 3. Агломерация градин

6. Результаты

Внезапная потеря внутренней энергии воды во время разряда молнии приводит к образованию сначала аморфной, а затем кристаллической формы града. Этот процесс является адиабатическим и не имеет практической связи с внешней средой. Процесс образования града не имеет ничего общего с нулевой изотермой и может происходить в нижних слоях атмосферы. Сильная молния вызывает крупные градины. Использование громоотводов может предотвратить град.

Список литературы:

1. Абшаев М.Т. О влиянии нового метода на градовые процессы. - Научные работы; ВГИ, 1989, 72, с. 14-28.
2. Бейтуганов М Н.; Залиханов М.Ч.; Романович В.Г. Патент РФ 2076579. Способ предотвращения града.
3. Бибилашвили Н.Ш., Бурцев И.И., Серегин Н.А. Методические указания по организации и ведению противоградовых работ. Л: Гидрометеоиздат, 1981, 168 с.
4. Диневич Л., Камалов Б. Способы воздействия оптимизационных методов на процессы формирования осадков. Современные высокие технологии. 2013, 12, с. 94-100.
5. Ермаков В.И., Стожков Ю.И. Физика грозовых облаков. ФИАН РФ им. П.Н. Лебедева. М: 2004, 26 с.
6. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. 5-е изд. М: Наука 1972, 138 с.
7. Хучунаев Б.М. Микрофизика возникновения и предотвращения града. Дисс. доктора физико-математических наук. Нальчик 2002, 289 с.
8. Тлисов М.И. Физические характеристики града и механизмы его образования. Гидрометеорологическое издательство 2002, 385 с.
9. Тлисов М.И., Хучунаев В.М. Патент РФ 2119741. Способ предотвращения образования крупного града в облаках.
10. Тлисов М.И., Кагермазов А.Х. Статистический анализ специальной градомерной сети при активных воздействиях и при их отсутствии по градациям в кн. Обзор промышленной и прикладной математики - М.: Научное издательство РТА, 1995, 2, с. 187-194.
11. Тлисов М.И., Хучунаев Б.М. Физические характеристики града от естественных и засеянных облачных процессов. Рекомендации по модификации уществующих методов подавления града, 12-я Международная конференция по облакам и осадкам, Цюрих, Швейцария, 1996, 19-22 августа, 1, с. 1275-1276.
12. Юрьев Ю. К. Практикум по органической химии. МГУ, 1957, 2, с.39.
13. Descartes R. Reasoning about the method with applications. Dioptrics, meteors, geometry. Moscow: AN SSSR, 1953, 273 p.
14. Mishima, O. Nature, 1996, 384, 6069, pp. 546-549.
15. Исмаилов С.А. Ответ рецензенту журнала «Метеорология и гидрология». «Школа науки», 2021, № 4, с.41.