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

как концентрации заряженных капель, так и величины зарядов мо­ гут значительно отличаться друг от друга. Причина этих различий заключается, по-видимому, в том, что соседние облака в одно и то же время находятся в разных стадиях развития и, кроме того, они развиваются с различной интенсивностью. Средний заряд капель, как правило, уменьшается при падении из облака. В облаках име­ ются как положительно, так и отрицательно заряженные капли, но обычно средний заряд отрицательных капель несколько превышает средний заряд положительных. Отдельные участки ливневых дож­ дей заметно различаются по концентрации заряженных капель и величине зарядов, однако эти различия значительно меньше, чем различия между данными для разных ливневых дождей. Спектр за­ рядов в искусственно вызванных ливнях из конвективных облаков практически ничем не отличается от спектра зарядов естественных ливней.

Интересно, что, несмотря на значительные заряды на каплях, напряженность электрического поля сравнительно невелика, как отмечал еще Ганн [321]. Это указывает на то, что заряды капель одного знака в значительной степени компенсируются зарядами противоположного знака, находящимися на дождевых каплях и об­ лачных капельках.

Измерения зарядов отдельных частиц в кучево-дождевых обла­ ках, развивающихся выше уровня изотермы 0°С, были выполнены Мак-Криди и Праудфитом [405] вблизи Флагстаффа (Аризона, США). Почти во всех случаях наблюдалась снежная и ледяная крупа и только в одном — снежные хлопья. За четыре дня полетов было получено, что в вершинах облаков при отрицательных темпе­ ратурах и под облаками при положительных температурах при­ мерно до 2° С наблюдаются положительно заряженные частицы. При положительных температурах выше 2° С происходит резкая смена положительных зарядов отрицательными примерно одного и того же порядка по величине. Положительные заряды в основном не превышали 3 -10-11 Кл, тогда как большинство отрицательных зарядов не превышало 2 - 10-10 Кл. Наблюдается также заметное количество частиц со сравнительно большими зарядами: (5-ч-10)Х ХЮ '1' Кл. Максимальный отрицательный заряд оказался равным 2 • 10-10 Кл. В один из дней при грозовой деятельности в атмосфере в ливневом облаке при температурах под ним от 2 до 4° С наблю­ дались максимальные положительные заряды на крупе до 2Х ХЮ-10 Кл, а в другой день при температуре под облаком около 8° С в смеси крупы с дождем максимальные положительные за­ ряды достигали 3 - 10-10 Кл. Максимальные отрицательные заряды во всех случаях наблюдений не превышали 2 • 10-10 Кл. В облаке, в котором образование крупы было вызвано искусственным образом при температуре в вершине —17,5° С, на крупе оказались весьма большие отрицательные заряды, до 5*10~10 Кл. Это наблюдение было выполнено во время грозовой деятельности в атмосфере. По­ этому возможно, что измерения производились в неопознанном гро­ зовом облаке.

127

Совершенно неожиданные результаты были получены при поле­ тах в тонких переохлажденных облаках, в которых наблюдались

весьма большие (до —3 -10-9 Кл) заряды в тающем снеге. Еще ниже при температурах от 11 до 13° С на каплях дождя также ока­ зались большие отрицательные заряды: от 1,5-10“9 до 3-10-9 Кл. Это наблюдение также было выполнено в день с грозовой деятель­ ностью. Возможно, что описанные облака являлись периферией грозового облака.

Такахаши и Хасеми [542] выполнили ряд измерений зарядов ка­ пель в облаках с помощью специального радиозонда, выпускаемого в свободный полет. Среди приведенных ими данных имеются два

выпущен, когда наковальня грозового облака находилась над стан­ цией. До высоты 8 км заряды гидрометеоров вообще не наблюда­ лись. На этой высоте были обнаружены частицы с зарядами до 7 • ІО-12 Кл, которые с высотой несколько уменьшались. Слой поло­ жительно заряженных частиц простирался до высоты 14 км. Такое же наблюдение было выполнено 13 августа, но в этом случае за­ ряды были обнаружены на меньшей высоте. В пределах 4—6 км наблюдались положительные заряды до 10-12 Кл. Затем примерно с 9 км появились большие отрицательные заряды, наблюдавшиеся до высоты 15 км, соответствующей высоте радиоэхо. На высоте около 9 км отрицательные заряды достигали 3 • ІО-12 Кл, с высотой они уменьшались. Наблюдения Такахаши и Хасеми интересны в первую очередь следующим установленным ими фактом: в нако­ вальнях грозовых облаков, которые имеют кристаллическое строе­ ние, могут быть не только положительные заряды, как это обычно предполагается, но и отрицательные.

Из сопоставления результатов наблюдений над зарядами гидро­ метеоров в грозах и кучево-дождевых облаках без гроз можно за­ ключить, что в общем случае в грозах заряды больше, чем в лив­ нях без гроз. Вместе с тем в кучево-дождевых облаках смешанного строения наблюдаются весьма большие заряды, указывающие на то, что процессы электризации в них протекают весьма интенсивно. Зарядов, накопленных на гидрометеорах в ливневых облаках, до­ статочно для возникновения грозовых разрядов, которые, однако, не наблюдаются из-за того, что в этих облаках отсутствуют необ­ ходимые условия для эффективного разделения зарядов и создания заряженных областей достаточной плотности. В ливневых облаках заряды на гидрометеорах в значительной степени компенсируются зарядами, находящимися на облачных капельках, и зарядами про­ тивоположно заряженных гидрометеоров.

Перейдем теперь к рассмотрению результатов наблюдений над зарядами грозовых дождей на высокогорных станциях. Необхо­ димо учесть, что, с одной стороны, вследствие большой высоты,

+— + —

ложительные заряды почти полностью преобладают над отрица­ тельными (94,6%).

Банержи [221] определил, что в Колаба (Индия) общий заряд, переносимый грозовыми дождями, является отрицательным. Один грозовой дождь в среднем приносит 6,3-ІО-7 и —7,3-10-7 Кл/м2.

А. X. Филиппов [182] в Иркутске для восьми случаев грозовых ливней получил, что среднее абсолютное значение объемного за­ ряда равно 6,2 *ІО-4 Кл/м3 воды, а отношение суммарных зарядов составляет 6,6, т. е. наблюдается многократное превышение поло­ жительных зарядов над отрицательными.

Большое значение для характеристики электричества грозовых дождей имеют измерения зарядов отдельных капель. Данные табл. 29 позволяют сделать некоторые общие выводы. В грозовых дождях у поверхности земли всегда наблюдаются капли с заря­ дами обоих знаков, далее средние величины которых могут коле­ баться в значительной степени. Однако только Гшвенд [319], В. П. Колоколов и К- А. Семенов [85] отмечают преобладание сред­ них положительных зарядов отдельных капель над отрицатель­ ными. Во всех остальных случаях в разных климатических районах средние отрицательные заряды капель больше положительных. Как правило, также наблюдается превышение суммарного отрицатель­ ного заряда над положительным. Это находится в согласии с дан­ ными измерений суммарных зарядов. При оценке достоверности средних необходимо учитывать, что в основном они получены из ограниченного числа случаев. Для большинства гроз средние поло­ жительные заряды капель находятся в пределах (1,3-ч-2,6)Х ХІО-12 Кл, а отрицательные — от —2- ІО-12 до —3,3- ІО-12 Кл. В ак­ тивных грозах средние заряды значительно больше: соответственно

(5-г-6,6) • ІО-12 Кл и от —6,6-ІО-12 до —1 0 '10-12 Кл. Максималь­ ные заряды отдельных капель могут, по-видимому, достигать ЗХ ХІО-11 Кл, т. е. значений, на порядок меньших тех, которые на­ блюдаются на высотах внутри грозовых облаков.

1 Q+/Q- — отношение суммарных зарядов капель.

2Ливни, близкие по своим характеристикам к грозовым.

3Ливни при коронировании с острий.

Ганн [323] предпринял попытку найти связь между размерами капель грозовых дождей и величиной электрических зарядов. Он пришел к выводу, что

Более полно этот вопрос был исследован Хатчинсоном и Чалмер­ сом [343]. Они получили, что для дождей, при которых наблюдается коронный разряд с острий, значение коэффициента в (39) может меняться в самых широких пределах. Однако среднее значение оказалось равным ІО-5, т. е. очень близким к значению, получен­ ному Ганном для гроз. Из этого можно сделать вывод, что условия заряжения капель при коронировании с острий близки к условиям при грозах.

Вопрос о связи между электрическими зарядами осадков и элек­ трическим полем был поставлен Симпсоном [522], который обнару­ жил, что при градиентах потенциала свыше 2 • ІО3 В/м существует ■«зеркальный» эффект, заключающийся в том, что знак заряда осад­

132

ков противоположен знаку электрического поля. Симпсон пытался объяснить этот эффект захватом ионов, возникающих при коронировании острий на поверхности земли в сильном электрическом поле. Для Кью (Англия) была получена следующая корреляцион­ ная связь между плотностью заряда Q (Кл/м3) и током коронирования с отдельного острия I (А):

где R — интенсивность дождя в мм/ч.

Хатчинсон и Чалмерс [343] установили, что почти всегда одно­ временно с каплями, заряды которых соответствуют зеркальному эффекту, имеются капли с зарядами противоположного знака. Со­ поставляя заряды, вычисленные в предположении, что они образу­ ются в результате захвата ионов, и измеренные, Хатчинсон и Чал­ мерс не получили ожидаемого согласия между ними. В связи с этим Ганн и Девин [329] считают, что не поле и токи коронирова-

тельно, сопоставляя токи конвекции и токи проводимости у поверх­ ности земли, они пришли к выводу, что первые могут значительно превышать вторые.

Одновременные наблюдения над зарядамикапель и напряжен­ ностью поля, выполненные Магоно и Ориказа [415] возле Саппоро (Япония), показали, что между ними нет какой-либо четкой связи. Наблюдаемая при грозах смесь положительно и отрицательно за­ ряженных капель практически не зависит от напряженности поля, которое претерпевает значительные колебания в период интенсив­ ного дождя. Магоно и Ориказа считают, что колебания поля обус­ ловлены не грозовыми разрядами, а флуктуациями объемного за­ ряда капель интенсивного ливня; при этом они отмечают, что силь­ ные и частые колебания поля в ливнях и снеге наблюдаются и при отсутствии грозовых явлений.

Одновременные измерения зарядов отдельных капель, тока коронирования и напряженности электрического поля при грозах были выполнены Коббом и др. [267] на горе Уошберн (Вайоминг, США) на высоте около 3 км. Было получено, что между зарядом капель, напряженностью электрического поля и током коронирования существует весьма тесная, а в отдельные дни даже функцио­ нальная связь. В то же время обнаружился и параллелизм в ходе напряженности поля и зарядов отдельных капель.

2.2.2. Электрическое поле

Разделение разноименно заряженных облачных частиц и гид­ рометеоров приводит к образованию в грозовых облаках элек­ трического поля. Вследствие большой динамичности процессов в грозовых облаках распределение зарядов в них быстро видоизме­ няется, а вместе с тем происходит столь же быстрое изменение

133

распределения электрического поля. Поэтому весьма существенно получение общих характеристик распределения зарядов и электри­ ческого поля в зависимости от стадии развития грозовых облаков. Однако выполнение этой задачи в полном объеме сейчас еще невоз­ можно из-за ограниченности данных измерений.

Первые, представляющие значительный интерес исследования распределения электрического поля были выполнены Симпсоном и

тода были отсутствие достаточно точных сведений о траектории полета зонда внутри грозового облака, неточность измерения вели­ чины напряженности поля, приводящая к весьма большим ошиб­ кам (при правильном определении направления поля), и искре­ ние между электродами в полях высокой напряженности. Несмотря на это, исследования позволили получить многие характерные черты распределения поля с высотой.

Согласно Симпсону, в верхней части грозовых облаков, на вы­ сотах больше 7 км, при температурах обычно ниже— 10° С наблю­ даются положительные заряды. Ниже, в интервале высот примерно 2—7 км, расположена область с отрицательными зарядами с цент­ ром вблизи уровня изотермы 0°С. Вторая, более слабо выражен­ ная область положительных зарядов находится при положительных температурах — она не всегда обнаруживается. Эти данные были подтверждены Чепменом [263], который также проводил наблюде­ ния с помощью зондов. В среднем размеры областей (если считать их сферами) примерно следующие: радиус верхней положительной области около 2 км, отрицательной около 1 км, нижней положитель­ ной около 0,5 км. Однако в отдельных облаках или в разных ча­ стях грозового облака с несколькими ячейками наблюдалось иное распределение заряженных областей. В некоторых случаях над верхней областью положительных зарядов обнаруживалась область отрицательных зарядов. Область положительных зарядов в нижней части облака могла простираться выше уровня изотермы 0°С.

2 августа в малоподвижной грозе). Непосредственно под уровнем изотермы 0°С наблюдалась отрицательная напряженность поля, которая в области температур 0—10° С сменялась положительной напряженностью. Претерпевая те или иные изменения, напряжен­ ность поля оставалась положительной до предельных высот 9— 11 км.

Детальный анализ результатов нескольких полетов в грозовых облаках был произведен в США Ганном [322]. 5 августа 1944 г. на высоте около 3900 м в активной грозе на трассе протяженностью около 13 км наблюдались две последовательные области с положи­ тельной и отрицательной напряженностью поля; их ширина состав­ ляла около 4 км, и в каждой из них существовал резко выражен­ ный максимум напряженности поля. В области с положительной на­ пряженностью он достигал 2- ІО5 В/м, а в области с отрицательной

134

напряженностью в момент удара молнии 3,4- ІО5 В/м. Средняя на­

в 2,1 раза, если отсутствует горизонтальная компонента поля. Од­ нако имеются все основания полагать, что таковая в грозах суще­ ствует. 24 июля 1945 г. производились полеты на разных высотах (рис. 41). На высоте 3000 м при положительной температуре поле было слабым и отрицательным, хотя встречались большие заряды капель разных знаков на разных участках трассы. Так что непо­ средственная связь между зарядами капель и полем на данном уровне не обнаруживается. На высоте 4000—4500 м, где темпера­ тура воздуха была близка к 0°С, наблюдались сильные колебания

Рис. 41. Напряженность электрического поля на разных высотах в грозовом облаке 24 июля 1945 г.

По Ганну [322].

Высота (км): 1) 1.5. 2) 3, 3) 4,5, 4) 6.

•напряженности поля вплоть до перемены его знака и смесь капель с большими положительными и отрицательными зарядами.

И. М. Имянитов и др. [65] при полетах в районе Гадяча (Ук­ раина) и Батайска (Ростовская область) на высотах 5000—6000 м по перифериям грозовых облаков в полосах падения ледяных кри­ сталлов из наковален наблюдали поля как с положительной, так и с отрицательной напряженностью более 104 В/м с некоторым пре­ обладанием положительных полей. В зонах осадков под грозовыми облаками на высотах 200—500 м были обнаружены поля с положи­ тельной и отрицательной напряженностью, максимум которой до­ стигал (3-4-4) • ІО4 В/м.

Исследования поля грозовых облаков на Дальнем Востоке были выполнены И. М. Имянитовым и Т. В. Лободиным [66]. При полетах над вершинами грозовых облаков были зафиксированы как положительные, так и отрицательные поля (рис. 42). Так как кривые хода напряженности поля не меняли своего знака, можно сде­ лать вывод, что эти облака то ли однозарядные, то ли биполярные или многополярные, но со значительным избытком зарядов одного

135

знака. Имянитов и Лободин получили, что в 40 случаях (69%) из 58 поле над облаками оказалось отрицательным, т. е. у боль­ шинства облаков вверху находился положительный заряд или они имели избыточный положительный заряд. Большой интерес пред­ ставляют случаи, когда при полетах над грозовым облаком наблю­

мощного кучевого облака в кучево-дождевое были зарегистриро­ ваны грозовые разряды (рис. 43). В течение примерно еще 10 мин происходило увеличение размеров радиолокационного ядра, накоп­ ление зарядов и усиление электрического поля, которое сопровож­ далось грозовыми разрядами. Следовательно, грозовые разряды сами по себе не служили причиной уменьшения скорости накопле­ ния зарядов. Затем следовала стадия разрушения, которая прояв­ лялась в уменьшении радиолокационного ядра и средней макси­ мальной напряженности поля. В этой стадии также обнаружива-

136