книги из ГПНТБ / Мучник, В. М. Физика грозы

изотермы 0°С частица не претерпевает каких-либо заметных измене­ ний. Ниже уровня изотермы 0°С происходит таяние градины, сна­ чала не очень интенсивное — на высоте 2000 м радиус равен 4,8 мм. Но ниже уровня максимальных скоростей нисходящих токов тая­ ние уже более заметное. В результате на высоте около 100 м над поверхностью земли градина достигает радиуса 2,5 мм, т. е. разме­ ров крупной капли. Такая частица может достигнуть поверхности земли в виде капли, так как при радиусе меньше 2,5 мм оиа не раз­ рушается. Таким образом, вычисления показывают, что рассмот­ ренная модель является типичной грозовой: градины, которые об­ разуются в облаке, успевают полностью растаять и на поверхность земли выпадают капли дождя.

Увеличение размеров частицы в области сухого роста градовой модели (кривая б) также почти линейно зависит от высоты, однако происходит значительно быстрее: радиус увеличивается до 6,8 мм на высоте около 8600 м, плотность — до 900 кг/м3, следовательно, масса частицы увеличивается в ІО4 раз. В области мокрого роста скорость увеличения размеров до уровня с максимальными скоро­ стями восходящих токов еще больше: на высоте 7500 м радиус гра­

гает 19,7 мм. С 6000 до 3500 м изменение размеров градины уже невелико. Почти вся вода, аккумулирующаяся на градине, срыва­ ется с нее. Поэтому на этих высотах концентрация крупных капель

внисходящих токах не очень сильно сказывается на ее размерах —

уземли радиус равен 19,2 мм.

Выполненные выше расчеты роста твердых гидрометеоров не­ обходимы для дальнейших расчетов образования и накопления за­ рядов в грозовых облаках. Сейчас это, по-видимому, единственная возможность получить какие-либо приближенные, но сравнительно реальные оценки. Для более полного решения поставленной задачи необходимо учитывать как неоднородность в распределении основ­ ных, влияющих на рост частиц характеристик облака, в том числе электрических, так и различия, в траекториях отдельных частиц.

2.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫХ ОБЛАКОВ

Трудности, которые встречаются при изучении различных микрофизических характеристик кучево-дождевых облаков, особенно велики при исследовании электрических характеристик. Измерения некоторых из них являются сложной задачей даже в стационарных условиях; трудности еще более возрастают при исследованиях в свободной атмосфере с самолета или с помощью приборов, вы­ пускаемых в свободный полет. Положение усложняется тем, что летательные аппараты оказывают значительное влияние на точ­ ность измерений, так как при полете в облаках они интенсивно за­

118

ряжаются. Этому вопросу уделено большое внимание, и в первую очередь в обстоятельных монографиях И. М. Имянитова [58, 63]. С другой стороны, измерения в облаках, проведенные горными об­ серваториями, связаны со значительными ошибками, вноси­ мыми влиянием подстилающей поверхности. Эти затруднения при­ вели к тому, что, несмотря на крайнюю необходимость в информа­ ции об электрическом строении кучево-дождевых облаков, ее явно недостаточно для получения ответа на многие важные научные и практические вопросы, возникающие в связи с обеспечением без­ опасности полетов, грозозащитой, радиопомехами и т. п. Поэтому здесь обращено большое внимание на возможно более полное пред­ ставление сведений об электричестве кучево-дождевых облаков.

2.2.1. Заряды облачных частиц и гидрометеоров

Объемные электрические заряды кучево-дождевых облаков со­ стоят в основном из зарядов облачных элементов и гидрометеоров и в какой-то степени из зарядов ионов. Хотя проводимость воздуха грозовых облаков значительно выше, чем свободной атмосферы, и содержание легких ионов велико, их вклад в объемные заряды сравнительно небольшой, так как разность между концентрациями положительных и отрицательных ионов также невелика. К сожале­ нию, сейчас почти полностью отсутствуют сведения о зарядах об­ лачных капелек и ледяных кристаллов в грозовых облаках.

Филипс и Кинцер [469] измеряли заряды облачных капелек в грозовых облаках на вершине горы в Северной Каролине (США), на высоте около 2000 м. Они получили данные для трех гроз при температуре воздуха от 10 до 15° С. В первой и второй грозах (табл. 24) заряды почти всех капелек были отрицательными. Сред­ нее значение зарядов капелек оказалось несколько больше 5,6X ХІ0"17 Кл, а максимальное 6,2 • ІО-16 Кл. В третьей грозе сначала в течение нескольких минут наблюдалась смесь положительно и отрицательно заряженных капелек (За). Затем объем заменился другим, почти полностью состоящим из положительно заряженных капелек (36), а еще через несколько минут — объемом, в котором наблюдалось обычное для негрозовых облаков гауссовское распре­ деление зарядов капель, с максимумом не выше 1,6-10-17 Кл. Сред­ ние заряды капелек для третьей грозы также были большими: по абсолютному значению они превышали 3,2 • 10-17 Кл, а максималь­ ные достигали порядка 3- ІО-16 Кл.

Из табл. 24 видно, что между средними радиусами капелек и средними зарядами отсутствует какая-либо связь.

Недавно Колгейт и Ромеро [271] с помощью привязного баллона измеряли заряды облачных капелек радиусом до 50 мкм в грозо­ вом облаке на высоте 1200 м над вершиной горы высотой 3220 м. ■Баллон вошел в облако на несколько сотен метров. Распределение капелек по размерам имело максимум для радиуса 8 мкм. В любом интервале размеров наблюдались как положительно, так и отрица-

119

Таблица 24

Средние заряды и средние радиусы облачных капелек в грозовых облаках. По Филипсу и Кинцеру [469]

тельно заряженные капельки с некоторым превышением количе­ ства вторых над первыми. Почти для всех интервалов размеров встречались капельки с большими отрицательными зарядами — около 3,2- ІО-16 Кл. Максимальные положительные заряды капелек не превышали 1,6* ІО-16 Кл. Колгейт и Ромеро установили, что

Рис. 37. Ход напряженности Е электрического поля (1) и по­ лярных объемных зарядов р (2 и 3) на вершине горы в грозе.

По Филипсу и Кинцеру [469].

между средним зарядом и радиусом капелек существует квадра­ тичная связь. Необходимо отметить, что все полученные ими дан­ ные основывались на сравнительно малом числе измерений зарядов и размеров капелек и поэтому в какой-то степени являются случай­ ными.

Филипс и Киндер [469] приводят также ход напряженности элек­ трического поля (рис. 37) во время наблюдений за третьей грозой (см. табл. 24). На рис. 37 представлены также приближенные дан­ ные о полярных объемных зарядах, вычисленных на основании из­ мерений зарядов отдельных капелек в предположении, что их кон­ центрация равна ІО8 м_3. Величина объемного заряда оказалась

120

равной примерно 3' ІО-9 Кл/м3. Как видно из рис. 37, напряженность в нижней, положительной части грозовых облаков может несколько превышать 2 -ІО4 В/м и претерпевает сравнительно быстрые измене­ ния. В области, где наблюдались положительные и отрицательные заряды капелек, обнаруживаются как положительные, так и отри­ цательные значения напряженности электрического поля. Воз­ можно, что эти изменения поля происходят вследствие флуктуаций зарядов в области со смешанными зарядами.

Заряды жидких и твердых гидрометеоров в грозовых облаках II непосредственно под ними измеряются с самолетов, с помощью радиозондов специальной конструкции и на горных станциях. Од­ нако сейчас еще сравнительно мало сведений, чтобы можно было построить однозначную модель распределения зарядов гидрометео­ ров в грозовых облаках. Более того, есть все основания полагать, что вследствие многообразия типов развития кучево-дождевых об­ лаков грозы должны описываться несколькими моделями. Значи­ тельно более полные сведения имеются об измеряемых у поверх­ ности земли зарядах капель грозовых дождей.

Измерения зарядов гидрометеоров в грозовых облаках были выполнены Ганном [324], Мак-Криди и Праудфитом [405]. Пред­ ставляют также интерес измерения зарядов частиц, осуществлен­ ные Ганном [321], Н. В. Красногорской [90], И. М. Имянитовым и В. В. Михайловской [68], Мак-Криди и Праудфитом [405] в ливне­ вых облаках смешанной структуры, близких по своему строению к грозовым облакам.

Ганн [324] измерял с самолета заряды и концентрацию капель дождя в грозовых облаках. Из табл. 25 следует, что почти на всех высотах в грозовом облаке существует смесь положительно и от­ рицательно заряженных капель. Однако если обратиться к распре­ делению средних зарядов капель каждого знака по трассам

Т а б л и ц а 25 Средние заряды капель в грозовом облаке 24 июля 1945 г. По Ганну [324]

121

высоте 1500 м, в теплой части облака, на каждом участке были об­

что в более активных грозах максимальные заряды могут значи­ тельно превышать 10~10Кл.

Отметим измерения И. М. Имянитова и В. В. Михайловской [68] при двух полетах по периферии грозового облака 25 августа 1955 г. на трассе Кишинев—Киев. Они получили средние и макси­ мальные заряды капель: —0,12-10-10 и —0,35- 10-10 Кл, —1 • 10-10

и —0,28- ІО-10 Кл соответственно.

Мак-Криди и Праудфит [405] произвели два полета в грозовых

122

мерялись с самолета при полете по нисходящей спирали, во время которого наблюдался один грозовой разряд. Основание облака на­ ходилось на высоте 5570 м при температуре —8,8° С. В этом полете

смены знаков зарядов не могут произойти за счет медленных нако­ пительных процессов электризации, например, при таянии, как это представляют себеМак-Криди иПраудфит. По-видимому, здесь про­ исходят какие-то весьма быстрые и интенсивные процессы электриза­ ции гидрометеоров. При полете вблизи Форта-Коллинса в грозовых осадках при температурах от 1 до —1°С наблюдались положи­ тельные заряды, а ниже при температурах от 7 до 19° С — отрица­ тельные. К сожалению, в этом полете не были зафиксированы вели­ чины зарядов частиц.

При анализе данных Мак-Криди и Праудфита необходимо учитывать следующее обстоятельство: при спиральном опускании

123

или подъеме самолета нет уверенности, что самолет все время находится в одной и той же области осадков. При сопоставлении ре­ зультатов наблюдений Мак-Криди и Праудфита, с одной стороны, и Ганна — с другой, необходимо также учитывать, что у первых двух авторов облака находились при отрицательных температурах и измерения производились под облаками, а у третьего — при от­ рицательных и положительных температурах, причем измерения производились в самом облаке.

Лезем и Стоу [390] также провели в районе Флагстаффа иссле­ дования электрических зарядов в мощных конвективных облаках,

°с

-2 0 г

-10 L

В/м

Рис. 40. Ход заряда q гидрометеоров, напряженности электрического поля Е и температуры Ѳ при горизонтальном полете через небольшое кучево-дождевое облако. По Лезему и Стоу [390].

в которых в последующем часто развивались интенсивные осадки и грозовые разряды. Одновременно измерялись напряженность электрического поля, водность, концентрация капель и ледяных кристаллов, фиксировалась форма ледяных частиц. Для иллюстра­ ции приведем результаты полета в сравнительно небольшом об­ лаке, соответствующем началу зрелой стадии развития кучево-дож­ девых облаков (рис. 40). Для таких облаков характерны частицы как с положительными, так и с отрицательными зарядами при не­ котором превышении числа отрицательных зарядов. Величина за­ рядов часто превышала 2 -10-10 Кл. Поле, как правило, имело по­ ложительное направление, его напряженность была не больше ІО4 В/м. В более развитых облаках наблюдалось такое же рас­ пределение зарядов частиц, но их величина часто превышала ЗХ

124

ХІО-10 Кл. Во всех случаях, когда наблюдались значительные за­ ряды, встречались ледяные частицы с максимальными размерами до 2 мм. В полетах ниже основания облаков в осадках при темпе­ ратурах выше 0°С обнаруживались области протяженностью в не­ сколько сотен метров с зарядами одного знака, которые сменялись областями со смешанными зарядами. Величина зарядов достигала З -К Н 0 Кл.

На основании полетов на разных высотах Лезем и Стоу при­ шли к выводу, что типичным для кучево-дождевых облаков в зре­ лой стадии является положительное поле, но встречаются случаи, когда поле имеет обратное направление. К сожалению, эти инте­ ресные исследования не сопровождались наблюдениями за верти­ кальными токами. Но так как'полеты производились в кучево-дож­ девых облаках, находящихся в начале зрелой стадии развития, то можно заключить, что в них господствовали восходящие токи.

Так как мы полагаем, что различия между процессами, обуслов­ ливающими электризацию в грозовых и ливневых облаках, в ос­ новном количественные, а не качественные, то приведем также дан­ ные наблюдений над зарядами в ливневых облаках. Заметим, что еще Ганн [321] пришел к выводу, что если бы разделить заряды разных знаков, наблюдаемые на частицах в ливневых облаках, то их количества хватило бы для возникновения грозового разряда.

Ганн [321] наблюдал заряды гидрометеоров в ливневом облаке 27 июля 1945 г. в штате Миннесота (США). На высотах 6000 м и выше обнаруживались только положительные заряды, тогда как ниже 3000 м — только отрицательные. В пределах высот 3000—

на 3600 м —0,33-10-10 Кл и +0,14 • 10-10 Кл, на 6000 м +0,21 X

ХІ0-10 Кл. Если сопоставить данные для ливня с данными для отдельных струй в грозовом облаке (см. рис. 38), то подобие в рас­ пределении выступает довольно отчетливо. Вместе с тем заряды капель в грозовых облаках заметно больше, чем в ливневых. Так, число частиц с зарядами, превышающими 3 ■10-11 Кл, в ливневых облаках сравнительно мало.

Н. В. Красногорская [90] провела ряд измерений зарядов ка­ пель с самолета в кучево-дождевых облаках в районе г. Бологое

вом случае имело место многократное превышение количества от­ рицательно заряженных капель над числом положительно заря­ женных капель, тогда как во втором случае такое соотношение встречалось только на некоторых, преимущественно низких уров­ нях. На уровнях выше изотермы 0°С наблюдалось значительное превышение числа положительно заряженных капель над количест­ вом отрицательно заряженных капель. Это указывает на вероят­ ность существования разных процессов электризации в кучево-дож­ девых облаках. Основная масса капель имела заряды около

125

3- 10~п Кл, а отдельные заряды достигали больших значений: отри­ цательные ІО-10 Кл, положительные даже 2 - ІО-10 Кл. Данные Красногорской подтверждают, что на гидрометеорах в кучево-дож­ девых облаках негрозового характера могут образоваться большие заряды. И. М. Имянитов и В. В. Михайловская [68] считают, что из-за малого входного отверстия использованного прибора резуль­ таты, полученные Красногорской, могут быть искажены.

400 м, верхней — 2700 м.

Наблюдения при полетах в ливневых осадках были проведены Имянитовым и Михайловской [68] на юге Европейской территории Советского Союза. Полеты осуществлялись через центральные части кучево-дождевого облака, где наблюдались наиболее интен­ сивные ливни. Из табл. 27 следует, что средние заряды на каплях негрозовых ливней лежат в пределах (5ч-20) • ІО-12 Кл. Даже при граде средние значения зарядов не выходят за указанные пределы.

.Эти данные согласуются с данными, полученными Н. В. Красно­ горской [90]. Максимальные заряды капель часто превышают 4Х Х І0-11 Кл, причем заряды обоих знаков. В соседних облаках, со­ гласно данным за 13 августа (табл. 27), на одной и той же высоте

126