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

лись грозовые разряды, указывающие на то, что продожалось значительное разделение зарядов. Возможно, что и в этот период происходило образование зарядов. Время диссипации грозового облака составило около 10 мин. Таким образом, общее время гро­ зовой деятельности в облаке составило около 30 мин.

Результаты наблюдения вертикальной и горизонтальной состав­ ляющих электрического поля в верхней части изолированного раз­ вивающегося грозового облака высотой до 13 км приводит Фицдже­ ральд [183]. При полете вблизи радиолокационного ядра наблюда­

ками во Флориде (США) с самолета, летевшего на высоте 21 км. Наковальни грозовых облаков находились на высоте около 15 км. При полете над ними наблюдалось увеличение напряженности поля, вызванное в первую очередь конвективными башнями, купола ко­ торых прорывались сквозь наковальни. Во всех случаях поле было отрицательным, что указывает на существование в верхней части грозовых облаков области положительных зарядов. Одновременно производились измерения вертикальной и горизонтальной состав­ ляющих электрического поля внутри грозовых облаков (Фицдже­ ральд [298]). Из табл. 30 следует, что при ударах молнии в само­ лет наблюдаются весьма значительные скачки как вертикальной, так и горизонтальной составляющей поля. При этом может изме­ няться и знак поля.

137

Т а б л и ц а 30

Изменения градиентов потенциала и максимальный ток при ударах молнии в самолет. Август 1965 г. По Фицджеральду [298]

12 августа 1965 г. в относительно простом грозовом облаке с вер­ шиной на высоте тропопаузы (околе 15 км), находящемся в ста­ дии диссипации, на высоте 4,8 км наблюдалось максимальное отри­ цательное значение вертикальной составляющей градиента потен­ циала— около —ІО5 В/м, а под наковальней — положительное с максимумом около 1,2-ІО5 В/м. При ударах молнии в самолет наблюдался максимальный ток, превышающий 12ІО3 А.

Весьма большой материал наблюдений за электрическим полем, полученный при полетах над кучево-дождевыми облаками, был обо­ бщен И. И. Камалдиной [78]. Она определила, что в 64% случаев вертикальный градиент потенциала был отрицательным, т. е. в большинстве случаев в верхней части облаков находился положи­ тельный заряд. Рассмотрев три стадии развития кучево-дождевых облаков — роста, зрелости и диссипации (по Шметеру [205]), Камалдина определила для них повторяемость обоих знаков градиен­ тов потенциала.

Как следует из табл. 31, большая часть случаев с положитель­ ным градиентом потенциала соответствует стадии роста кучево­ дождевых облаков, а большая часть с отрицательным градиен­ том— стадиям зрелости и диссипации. При развитии облаков про­ исходит, как правило, смена положительного градиента отрица­ тельным. Из 19 случаев, когда удалось проследить ход градиента от начала развития кучево-дождевых облаков до диссипации, в 14 (74%) наблюдалось изменение знака. При образовании новых конвективных башен в облаках, находящихся в стадии зрелости или диссипации, наблюдалась смена отрицательного градиента по­ тенциала положительным.

Особый интерес для понимания процессов, происходящих в гро­ зовых облаках, представляют случаи многократного изменения знака градиента потенциала над облаками. Трудно представить себе такие изменения в течение жизни грозового облака при про-

138

Т а б л и ц а 31

Повторяемость (% ) случаев с градиентом потенциала положительного и отрицательного направления в зависимости от стадии развития

цессах электризации, которые никак бы не зависели от самих за­ рядов в облаках, точнее, от электрического поля, обусловленного этими зарядами. Камалдина считает, что перемены знака поля обу­ словлены смещением гидрометеоров, несущих заряды определен­ ного знака, восходящими токами.

Изучая вопрос о величине максимальных градиентов потенциала в зависимости от расстояния над вершиной облаков, Камалдина приходит к выводу, что их изменение непосредственно вблизи вер­ шины нельзя объяснить только изменением расстояния. Она счи­ тает, что причиной этого эффекта является экранирующий объем­ ный заряд, создаваемый токами проводимости. Воннегут и др. [561] также считают, что на границах облака существует экранирующий заряженный слой. Однако, в отличие от этих авторов, Камалдина не придает этому слою столь большого значения в изменении знака поля при его разрушении. Она справедливо указывает, что для изменения знака поля необходимо, чтобы исчез источник поля, а не экранирующий заряд.

Обобщив данные измерений электрического поля в Советском Союзе, проведенных при полетах самолетов, И. М. Имянитов и др. [74] получили распределение градиента потенциала в облаках раз­ ных форм (рис. 44). Как следует из рисунка, эти данные доста­ точно хорошо аппроксимируются логарифмически-нормальным распределением.

■Авторы считают, что существует определенная, хотя и неболь­ шая вероятность того, что в слоисто-дождевых облаках абсолютные значения градиента потенциала могут быть достаточными для воз­ никновения грозовых разрядов.

Представляют значительный интерес сведения об абсолютных максимальных значениях напряженности поля, измеренной в грозо­ вых облаках (табл. 32). На основании этой таблицы можно счи­ тать, что для возникновения грозовых разрядов достаточно, чтобы в облаках напряженность поля достигла (3,0ч-3,5) • ІО5 В/м. По-ви­ димому, эти или близкие к ним значения напряженности поля представляют собой напряженность инициирования молнии, а для ее распространения достаточны напряженности значительно мень­ шие, но охватывающие большое пространство.

139

Обзор приведенных выше данных показывает, что электриче­ ская структура грозовых облаков очень сложная и быстро меня­ ется во времени и пространстве. Сейчас еще отсутствуют необходи­ мые сведения (особенно о зарядах и полях внутри грозовых обла­ ков), чтобы построить полную схему их электрической структуры. Вследствие этого представляют интерес, хотя и ограниченный, све-

Рис. 44. Распределение абсолютных значений градиента потен­ циала электрического поля в Ас (1), As (2), Ns (3), Cb (4)

ввероятностно-логарифмической сетке. По И. М. Имянитову

идр. [74].

дения о ходе поля на вершинах гор. На результаты этих наблюде­ ний оказывают большое влияние объемные заряды, образующиеся за счет токов коронирования остроконечных предметов, в первую очередь деревьев и кустарников.

Кюттнер [370] на горе Цугшпитце (Северные Альпы) высотой около 3000 м получил, что в основании грозовых облаков при поло­ жительных температурах существуют, как правило, положитель­ ные градиенты' потенциала, что указывает на существование там положительно заряженной, области, центр которой лежит вблизи уровня изотермы 0°С. При отрицательных температурах наблюда­ ются почти исключительно отрицательные градиенты потенциала, свидетельствующие о существовании выше уровня изотермы 0° С отрицательно заряженной области с центром около уровня изо-

140

Т а б л и ц а 32

Абсолютное значение вертикальной составляющей максимальной напряженности электрического поля l-Emax1! в грозовых облаках

П р и м е ч а н и е . Здесь з — зондовые наблюдения, с — самолетные, р — ра кетные, н — наземные.

термы —8° С. Кюттнер пришел к выводу, что для возникновения сильных полей необходимо, чтобы основание кучево-дождевых об­ лаков находилось ниже уровня изотермы 0°С. Обнаружилось, что горизонтальные и вертикальные размеры заряженных областей примерно одинаковые. Горизонтальная протяженность положи­ тельно заряженной области несколько меньше 1 км. Отрицательно заряженная область имела большие размеры, чем положительная. Перед возникновением грозовых разрядов поле в 70% случаев имело отрицательное направление.

Рейнольдс и Брук [485] предприняли одновременные радиолока­ ционные измерения и измерения градиента потенциала. Радиолока­ тор находился на высоте 2100 м примерно в 20 км от вершины горы Уитингтон (3140 м), где был установлен прибор для измере­ ния поля. Образование радиоэхо само по себе не приводило к за­ метному росту градиента потенциала. Только при вертикальном росте радиоэхо наблюдался переход положительного градиента по­ тенциала к отрицательному с дальнейшим ростом по абсолютной величине до момента возникновения грозового разряда. Во всех случаях градиент потенциала был отрицательным, что указывает

141

на образование в нижней части грозовых облаков отрицательного заряда.

Мур и др. [447] вели наблюдения на горе Уитингтон с помощью зондов, подвешиваемых к тросу баллона, который поднимался на высоту до 5 км. В развивающемся кучево-дождевом облаке при­ мерно за 25 мин до начала грозовой деятельности на высоте около 5 км при температуре, близкой к 0°С, наблюдался положительный градиент потенциала, а ниже, на высоте около 4 км, — отрицатель­ ный. В другом случае перед близким разрядом молнии в облаке на высоте около 500 м над его основанием при температуре 7° С был зарегистрирован положительный градиент потенциала, который в дальнейшем сменился отрицательным.

Кобб и др. [267] выполнили измерения электрического поля на горе Уошберн (Вайоминг, США) на высоте около 3000 м. Они об­ наружили, что в большинстве случаев продолжительность периодов с отрицательным полем и максимальные отрицательные значения поля превышали таковые для положительного поля. При прохожде­ нии гроз часто наблюдалась смена положительного направления поля на отрицательное и наоборот.

2.2.3. Изменения электрического поля при грозовых разрядах

Наблюдения за электрическим полем у поверхности земли при определенных условиях могут быть источником полезной информа­ ции о распределении зарядов в грозовых облаках, особенно если они выполняются синхронно в не­ скольких пунктах и если распреде­ ление зарядов в облаках не очень сложное, униили биполярное.

При грозовых разрядах происхо­ дит резкое изменение напряжен­ ности поля, позволяющее судить о величине заряда, протекающего

Рис. 45. Схема распределения за­ рядов в биполярном грозовом об­ лаке, нейтрализация которых при­ водит к изменению электрического поля в удаленных от облака

пунктах.

в молнии. Изменение поля öЕ связано с нейтрализацией зарядов биполярного облака при разряде нижнего заряда Q2 на землю или при разряде внутри облака между верхним зарядом Qi и нижним Q2 (рис. 45). При грозовом разряде, когда заряд Q2 будет перене­ сен на землю, произойдет изменение поля:

142

Здесь /і2 — высота заряда Q2 над землей; L — проекция расстоя­ ния от наблюдателя до заряда; M = 2h2Q2— электрический момент.

Для случая разряда внутри облака, учитывая, что Qi = Q2=Q, имеем

изойти смена знака изменения поля, что может служить призна­ ком биполярности облака. Так как при внутриоблачных грозовых разрядах на близких расстояниях изменения поля имели положи­ тельный знак и на больших расстояниях — отрицательный, а при ударах молнии в землю знак изменения поля оказался положитель­ ным, Вильсон [571] получил, что верхний заряд грозовых облаков положительный, а нижний — отрицательный.

Наблюдения, выполненные в Англии Уормелем [587], подтвер­ дили результаты, полученные Вильсоном. Однако в ряде случаев при близких грозах наблюдались отрицательные изменения поля, а при отдаленных грозах — положительные. Это указывает на воз­ можность существования грозовых облаков отрицательной поляр­ ности, когда основной заряд вверху облака отрицательный, а вни­ зу — положительный. Шонланд и Крайб [507] установили, что грозы Южной Африки также являются в значительной степени биполяр­ ными с положительным распределением зарядов. Такое же рас­ пределение зарядов обнаружил Смит [526] по данным измерений в Гамне (Флорида, США). Он наблюдал значительные изменения поля при разрядах грозовых облаков к концу их активности.

Бернард [223] в Южной Африке производил одновременную регистрацию изменения поля при разрядах на трех близкораспо­ ложенных станциях. Это дало ему возможность приближенно определить значения Q, L и h — расстояние между центрами за­ ряженных областей. Оказалось, что грозовые облака являются, как правило, биполярными с верхним положительным зарядом. Вертикальное расстояние между центрами составляло в среднем 5,2 км, колеблясь от 2,5 до 8,7 км.

Из (42) и (43) на основании данных об изменении поля можно определить величину электрического момента, нейтрализующегося при грозовых разрядах (см. табл. 33). Если иметь сведения о вы­ соте центров заряженных областей, то можно определить величину зарядов, протекающих в канале молнии.

143

Существует возможность определять координаты центров заря­ дов по данным наземных наблюдений за изменением поля при грозо­ вых разрядах на ряде пунктов. Изменение поля в точке с координа­ тами (х, у) при разряде внутри облака между зарядами, центры которых Q+ и Q- имеют соответственно координаты (х+) у+, z+) и (х_, у-, Z-), определяется выражением

(45)

и аналогичными уравнениями для других станций. В случае если происходит разряд на землю из центра с координатами (х, у, z), (45) принимает вид

(США) на высоте около 2100 м. Было получено, что центр отрица­ тельного заряда находится в среднем на высоте около 7500 м при температуре —16° С, в некоторых случаях даже при температурах до —33° С. Облака биполярные, и центр положительного заряда обычно расположен выше отрицательного в среднем на 600 м. Го­ ризонтальное расстояние между центрами также невелико, не бо­ лее 500 м. Это говорит о том, что или размеры областей положи­ тельного и отрицательного зарядов в грозовых облаках малы, или вообще эти области нельзя представить в виде каких-то более или менее четко очерченных сфер. В большинстве случаев при разрядах нейтрализуется меньше 10 Кл, но примерно в 25% слу­ чаев разряжается более 20 Кл.

Тамура [545] провел наблюдения на девяти станциях в Японии. Он получил, что разряды на землю и внутриоблачные разряды происходят в разных, горизонтально разделенных частях грозовых облаков. Центры отрицательных зарядов лежат в основном на вы­ сотах 6—8 км, и с развитием грозы наблюдается тенденция к их снижению. Из этих центров происходят разряды на землю. Внутри­ облачные разряды осуществляются между дипольными зарядами, разделенными по вертикали на 5—6 км и имеющими положитель­ ный знак. Центры диполей в основном располагаются на высотах 4—6 км и мало изменяются с развитием грозы. Тамура не обна­ ружил нижних положительных зарядов, отмеченных еще Симп­ соном.

Хатакеяма [336] (Япония) определял положение центров заря­ дов в грозовых облаках по их расстояниям до четырех станций, синхронно определявших время между моментами вспышки молнии

144

и громом, и по изменениям поля. Высоты молнии внутри облаков, вычисленные обеими способами, сильно различаются. Для двух гроз Хатакеяма получил, что заряженные области находились на высо­ тах 10 и 6 км и в молниях протекал заряд более 100 Кл. При за­ тухании гроз заряды оказались меньше 40—60 Кл; наиболее часто встречались случаи с зарядами меньше 10 Кл.

Так как сведения об электрических моментах и зарядах, нейтра­ лизующихся при ударах молнии, представляют значительный инте­

Как видно из этой таблицы, данные измерений, проведенных разными авторами в одних и тех же районах, хорошо согласуются между собой. Наблюдается значительное увеличение электрических моментов и зарядов, нейтрализующихся при грозовых разрядах, в более низких широтах по сравнению с высокими. Если исключить данные Хатакеяма [336], то можно полагать, что максимальные за­ ряды, нейтрализующиеся в самых интенсивных разрядах, не пре­ вышают 100 Кл. В умеренных широтах расстояние между главными зарядами в грозовых облаках составляет 2—3 км, тогда как в бо­ лее низких широтах 5—6 км. Необходимо заметить, что из ряда исследований ([487, 523] и др.) вытекает, что главные заряды раз­ делены не только по вертикали, но и по горизонтали и разряды молний между ними имеют наклонные траектории.

2.2.4. Быстрые изменения электрического поля, обусловленные процессами развития молнии

Исследования быстрых изменений поля, возникающих во время процесса развития молнии, позволили получить метод определения ряда характеристик грозовых осадков, который был развит Мила­ ном и Шонландом [422]. Прежде чем рассмотреть этот метод,

необходимо вкратце остановиться на современных представлениях о развитии молнии.

Развитие разряда из облака на землю начинается с образова­ ния стримера, который продвигается ступеньками длиной 10—200 м. В конце каждой ступеньки происходит задержка движения стри­ мера, так называемого ступенчатого лидера, которое затем во­ зобновляется, и стример проходит очередную ступеньку и т. д. до момента приближения к земле. В результате продвижения стри­ мера образуется ионизированный канал ступенчатого лидера мол­ нии. По каналу лидера развивается с поверхности земли главный возвратный удар молнии, который переносит основной заряд мол­ нии. Средняя скорость продвижения ступенчатого лидера порядка ІО4—10s м/с, тогда как скорость главного удара ІО7—ІО8 м/с. Ток, протекающий в канале главного удара, достигает 2- ІО5 А. Обычно вслед за первым, ступенчатым лидером через сотые доли секунды происходит развитие по тому же каналу стреловидного лидера. Скорость его распространения по ионизированному каналу больше скорости ступенчатых лидеров: (1 -т-2) *10® м/с. После достижения поверхности земли по каналу стреловидного лидера проходит вто­ рой главный возвратный удар. Этот процесс может многократно повторяться; в среднем молния включает три главных разряда.

Типичная осциллограмма напряженности поля при грозовом разряде на землю представлена на рис. 46. Сначала наблюдается

L R J RS

Рис. 46. Осциллограмма изменения напряженности электрического поля при удаленных ударах мол­ нии, переносящих на землю отрицательный заряд.

рост напряженности поля на участке со средней длительностью около 0,1 с, который соответствует развитию ступенчатого лидера. Затем наблюдается скачкообразный рост напряженности поля (R), соответствующий возвратному удару, длительность которого около 1 мкс. Далее следует участок /, обусловленный прохождением стре­ ловидного лидера со средней длительностью около 0,03 с. В конце процесса развития молнии наблюдается участок S, в течение кото­ рого происходит сравнительно медленное возрастание напряжен­ ности поля, продолжающееся в среднем около 0,12 с.

Малан и Шонланд [422], исследуя изменения поля на участке J, сделали ряд заключений о динамике разряжения облачных зарядов на землю. Они установили, что на расстояниях до 5 км изменения поля на этом участке отрицательные, а свыше 12 км — положитель­ ные. Это означает, что происходит нейтрализация положительных зарядов в разветвленной вершине канала молнии. Отрицательный

около 4 км. Высота разрядов отрицательного заряда на землю уве­ личивается последовательно в среднем на 0,7 км.

146