Особенности спонтанного образования ледяных зародышей в переохлажденной воде
Экспериментальные исследования показывают, что мелкие переохлажденные капли (r < 5 мкм) могут не замерзать при охлаждении до –40°С. Квилонг и Фурье д'Альб, подвергая расширению атмосферный воздух в небольших конденсационных камерах, установили, что при температурах выше –40°С появляется лишь несколько кристаллов среди большого числа капель воды. При понижении температуры ниже –41°С происходит быстрое увеличение числа кристаллов. Опыты в камере Вильсона по изучению замерзания очень мелких капель показали, что все капли замерзли после того, как в течение 0.6 с они пробыли при температуре около –41°С. Другие исследователи указывают на температуру около –39° С.
Мейсон объяснил этот факт исходя из приближенной теории ядрообразования внутри переохлажденной жидкой фазы. Вероятность образования ледяных зародышей (ω), равная числу зародышей, которые образуются за единицу времени в единичном объеме, может быть определена по приближенной формуле
(2.17)
где п – число молекул в 1 м3 жидкой фазы; k – постоянная Больцмана; h – постоянная Планка; U – энергия активации молекул жидкости; А – работа образования зародыша.
По физическому смыслу энергия активации - это скорость перехода молекул воды в особое предкристаллизационное состояние. Она может быть определена лишь из опыта (правдоподобное значение U= 4.8∙10-13 эрг). Согласно оценкам, при температуре –41°С d (lg Q)/dT = 0.75, т. е. вероятность кристаллизации на каждый градус понижения температуры увеличивается почти в 6 раз.
Процесс самопроизвольного образования ледяных зародышей в переохлажденной воде называют спонтанной кристаллизацией, которая представляет собой статистическое явление. Вероятность образования ядра пропорциональна произведению объема капли и времени, в течение которого она находится при фиксированной температуре. С понижением температуры вероятность льдообразования возрастает, сначала медленно, а затем все быстрее. При температурах от –39 до –41°С скорость образования ледяных зародышей очень резко увеличивается. Различие в температурах, которые определяют начало резкого возрастания ω, зависит от условий проведения экспериментов (числа и размера капель; времени, в течение которого они охлаждаются).
В реальных условиях атмосферы, а также при постановке лабораторных опытов исследование процесса замерзания капель осложняется тем, что приходится иметь дело с очень широким спектром капель (от нескольких микрометров до 5 мм), различными скоростями охлаждения, наличием инородных частиц и др. Совершенно естественно, что результаты экспериментов, проведенных в неодинаковых условиях, существенно различаются между собой.
Опыты В.Я. Никандрова по слиянию переохлажденных, насаженных на стерженьки капель радиусом 200 мкм и более показали, что при температуре –15° С и выше слияние капель не приводит к их замерзанию, при температурах –20° С и ниже слияние капель сопровождается замерзанием образовавшейся капли. При сближении кристалла льда с незамерзшей каплей наблюдалось образование на льдинке отростков в направлении капли. Как только отросток касался поверхности капли, происходило (при не очень низких температурах) перетекание капли на льдинку и образование ледяной частицы. Если температура низкая, то капля почти мгновенно замерзала при соприкосновении с ледяным отростком.