Поиск по сайту   
Сделать стартовой|   Главная   |   Контакт   
 

 

  Снегогенераторы

  Область применения

  Технологии производства

  Снежные пушки

  Снежные ружья

  Насосные станции

  Снежные комнаты

  Снежные контейнеры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     

 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ СНЕГООБРАЗОВАНИЯ

Двумя из наиболее важных критериев снегообразования являются температура и относительная влажность воздуха.

Величина относительной влажности может быть получена из показаний «влажного термометра» и «сухого термометра» при помощи психрометрической диаграмы. Температура «по влажному термометру» измеряется с помощью обычного стеклянного ртутного термометра, колба которого обернута мокрой марлей. Влага, испаряясь с поверхности колбы термометра, создает эффект охлаждения, при этом температура, которую показывает «влажный термометр» оказывается ниже температуры, которую показывает обычный, «сухой термометр». Количество влаги, испаряющейся с поверхности «влажного термометра», зависит от влажности воздуха - чем выше влажность воздуха, тем медленнее влага испаряется с поверхности термометра. Поэтому, по разности температур между «сухим» и «влажным» термометрами определяют влажность атмосферного воздуха по психрометрической диаграмме Молье (увеличить...).

На основе этих данных рассчитывается температура точки росы. Это температура, до которой должен быть охлажден объем воздуха до достижения насыщения. Расчет температуры точки росы важен для того, чтобы знать возможно ли получение снега при данных климатических условиях. При температуре воздуха, близкой по значению к температуре точки росы, воздух насыщен и возможно образование тумана или инея.

Процесс превращения капли воды в снежинку является процессом теплообмена. Тепло удаляется из капли воды конвекцией и испарением и рассеивается в окружающую среду, что создает микроклимат, существенно отличающийся от окружающих условий. При снижении температуры в капле воды все более вероятным становится событие, когда несколько соседних молекул случайным образом одновременно изменят фазовые состояния и "слипнутся" вместе.

Достаточно много параметров, которые влияют на снегообразование. Три наиболее важных параметра – это температура влажного термометра, температура образования центров кристаллизации и размер капелек.

Температура капли воды на выходе из водяной форсунки снежного ружья обычно составляет 1…6 градусов. Когда капля покидает форсунку и попадает в воздушный поток сопла снежного ружья, ее температура быстро падает из-за конвекции, испарения, расширения и продолжает падать пока не достигнет равновесного состояния. Таким образом, температура влажного термометра определяется равновесным состоянием капли воды и важна для предсказания снегообразования также как и температура сухого термометра. К примеру, температура влажного термометра при температуре сухого термометра - 2 градуса и относительной влажности 10% будет равна температуре влажного термометра при температуре сухого термометра -7 градусов и влажности 80%. Зная температуру влажного термометра для окружающих условий, можно предсказать возможность снегообразования для этой температуры.

Для того, чтобы капля воды замерзла, она должна охладиться до температуры кристаллизации. Существуют два вида кристаллизации: однородная и неоднородная. Однородная кристаллизация представляет собой кристаллизацию чистой воды без примесей и включений и без контакта с какими-либо поверхностями и т.д. и происходит при относительно низких температурах или давлении, однако температура оказывает более существенное влияние на начало процесса кристаллизации. Однородная кристаллизация начинается тогда, когда несколько соседних молекул случайным образом одновременно изменят фазовые состояния и «слипнутся» вместе, создав твердый массив – центр кристаллизации, который будет расти за счет «прилипания» других молекул. Рост кристалла определяется отводом тепла во внешнее пространство. Молекулы «прилипают» и отрываются приблизительно в равном объеме, с большой скоростью. Чем больше молекул «прилипает» к центру кристаллизации, тем больше становится разница температур молекул кристалла по сравнению с жидкостью за счет отвода тепла отрывающимися от кристалла молекулами. Рост кристалла продолжается до тех пор, пока все молекулы не «прилипнут» к кристаллу. В узлах кристаллической решетки здесь располагаются молекулы. На рис.2 атомы кислорода условно изображены в виде светлых шариков, атомы водорода — в виде темных шариков. Каждый атом кислорода окружен четырьмя атомами водорода, атом водорода служит связующим звеном между двумя соседними атомами кислорода. Формула для молекулы воды Н2О, конечно, сохраняется, но выделить в кристалле отдельную молекулу невозможно.

Несмотря на то, что температурой замерзания воды считается 0 градусов, вода может замерзать лишь при температуре - 4 градуса в условиях пониженного давления, например в верхних слоях атмосферы (тропосфере).

Неоднородная кристаллизация возникает при отрицательной температуре из-за присутствия посторонних веществ в воде. Частица вещества в воде является центром кристаллизации и процесс кристаллизации начинается быстрее по сравнению с чистой водой. Как и в случае однородной кристаллизации, разнородная кристаллизация определяется двумя основными факторами: теплообмен молекул, участвующих в формировании кристалла и динамика колебания роста кристалла. При неоднородной кристаллизации конфигурация и энергия взаимодействия в области кристаллизации оказывают существенное влияние на переход из жидкой фазы в твердую. Существует целый ряд материалов и веществ, которые дают начало кристаллизации при определенной температуре или при температуре замерзания воды. Эти вещества классифицируются как высокотемпературные кристаллизаторы (иодид серебра, сухой лед, белки) и низкотемпературные кристаллизаторы (соли кальция, магния, пыль, взвесь). Низкотемпературные кристаллизаторы обычно присутствуют в достаточном количестве в воде. Поэтому температура кристаллизации воды при искусственном снегообразовании колеблется от -9 градусов до -5 градусов Цельсия. Благодаря тому, что у воды есть поверхностное натяжение, происходит теплообмен между центром кристаллизации внутри капли воды и поверхностью капли, и при искусственном снегообразовании температура замерзания капли воды составляет около - 0,5 градуса. Когда капля воды начинает охлаждаться, тепло начинает выделяться в атмосферу приблизительно 0,0042 Дж на грамм воды. При кристаллизации, выделяется дополнительно около 0,34 Дж тепла на грамм воды. Быстрое выделение тепла позволяет капле воды охладиться до температуры замерзания и находиться при этой температуре до момента полного замерзания. Если быть точнее, вода будет продолжать замерзать до тех пор, пока температура будет ниже или около нуля, но только после того как она была охлаждена до температуры кристаллизации. Распределение центров кристаллизации в капле воды происходит случайным образом, поэтому размер капли и количество высокотемпературных кристаллизаторов оказывают значительный эффект на температуру начала кристаллизации. Чем меньше капля воды, тем меньше в ней количество высокотемпературных кристаллизаторов. Оптимальные условия для снегообразования возникают в случае, когда на одну каплю воды, приходится один высокотемпературный кристаллизатор. Взаимосвязь между температурой замерзания капли воды и размером капли определяется статистическими данными: при уменьшении размера капли на 50%, температура кристаллизации увеличивается на 0,5 градуса, а при увеличении размера капли на 50%, температура кристаллизации уменьшается на 1,5 градуса. Такие выводы базируются на том, что в каплях разного размера может уменьшаться высокотемпературная кристаллизация.

Cнегообразование возможно только лишь при достаточно низких температуре окружающей среды и влажности. Ниже приведена диаграмма получения и качества снега в зависимости от температуры и влажности. Эта диаграмма также показывает температуру по влажному термометру.

увеличить диаграмму...

Немаловажным фактором является также температура подаваемой воды. Для получения снега на горнолыжных склонах при помощи снежных пушек, как правило, используют воду из прудов или специальных водоемов, этом температура воды в них порядка +4…+6 градусов. Однако, снежные ружья для бытового применения позволяют получать снег из водопроводной воды, температура которой может быть на 5-10 градусов выше, чем в водоеме.