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

Представление Малана и Шонланда [422] о том, что в грозовых облаках примерно от уровня изотермы 0°С вверх на высоту около б км простирается отрицательный, вертикально расположенный за­ ряд, не всегда подтверждается. Малан [420] обнаружил, что для гроз Южной Африки на расстояниях свыше 20 км в 75% случаев изменения напряженности поля на участке J отрицательные или равны нулю. Это указывает на вероятность возникновения в ряде случаев разрядов из положительно заряженной области, располо­ женной над уровнем изотермы 0°С. Последнее обстоятельство хо­ рошо иллюстрируется данными, полученными Уормелем [588] (табл. 34).

Т а б л и ц а 34

Повторяемость (% ) разрядов молнии в Кембридже (Англия). По Уормелю [588]

Как следует из табл. 34, наряду с переносом отрицательных за­ рядов вниз при разрядах на землю, наблюдается перенос положи­ тельных зарядов в этом направлении, что указывает на существова­ ние в нижней части облака положительного заряда. При разрядах внутри облака, кроме разрядов, при которых происходит перенос отрицательного заряда вверх, наблюдается заметное число случаев переноса его вниз, что также свидетельствует о возможности су­ ществования в вершине облака отрицательного заряда, а внизу — положительного.

Исследования процесса переноса заряда при грозовых разря­ дах получили дальнейшее развитие в работах Китакава и др. [363]. Они установили, что среди многократных разрядов молнии на землю наблюдаются такие, которые сопровождаются длительным излучением, в пределах 40—500 мкс. В течение этого продолжи­ тельного «гибридного» разряда на землю переносится больший за­ ряд, чем при обычном дискретном ударе. Китакава и его коллеги

гократного гибридного разряда было получено 33,9 Кл и 346 КлХ Хкм. Максимальный заряд и момент оказались соответственно равными 79 Кл и 889 Кл • км. Упомянутые авторы, так же как

Малан и Шонланд [422], получили, что каждый последующий разряд происходит с более высокого уровня, чем предыдущий. Так, среднее изменение уровня для дискретных разрядов составляло 0,3 км, а для интервалов длительного излучения наиболее часто изменения высоты находились в пределах 0,9—1,6 км. Брук и др. [246] пришли к выводу, что участок /, который, согласно Малану и Шонланду [422] и др., связан с процессом переноса зарядов внутри облакЭі также может быть связан с длительным током на землю. Брук и др. считают, что большие скачки потенциала, полученные Мала-

При грозовых разрядах происходит уменьшение электрического момента в грозовых облаках, т. е. нейтрализация зарядов и соот­ ветственное уменьшение напряженности электрического поля. Вслед

ления поля в грозовых облаках заключается в следующем. В об­ лаке в результате генерации зарядов к какому-то моменту времени накапливаются большие и одинаковые заряды обоих знаков, рав­ номерно распределенные по всему объему. Заряды одного знака находятся на гидрометеорах, а противоположного — в окружающем их воздухе (рис. 47). Гидрометеоры переносят заряд вниз с посто­

148

янной относительной скоростью ѵ. Вследствие этого граница отри­ цательных зарядов переносится за время dt на расстояние dh = = vdt. На такое же расстояние смещается и верхняя граница, где образуется такой же слой с положительными зарядами. Между этими слоями, как между обкладками плоского конденсатора, обра­ зуется электрическое поле. Поле будет действовать против грави­ тационных сил, так что образование зарядов и прирост напряжен­ ности электрического поля будут замедляться. Оказывается, что при таком предположении замедление процесса образования за­ ряда происходит по экспоненциальному закону. Но предположение о влиянии электрических сил на скорость падения гидрометеоров (капель, градин) не соответствует действительности, так как при напряженностях поля, которые, как показали непосредственные измерения, наблюдаются в грозовых облаках, изменение скорости падения крупных частиц незначительно.

Более правильным является представление И. М. Имянитова [77]. Если принять, что генерация гидрометеоров с зарядом q про­

В (47) первый член справа представляет собой линейную ско­ рость накопления зарядов в области толщиной А, определяемую скоростью разделения зарядов в облаке. Второй член характери­ зует потери заряда вследствие проводимости %, а третий член — потери вследствие турбулентности, которые приблизительно равны

где р — коэффициент турбулентности; р — плотность объемного за­ ряда.

Решая уравнение (47), получим

**Ш + ре0

Как указывает И. М. Имянитов, турбулентность в облаках иг­ рает ту же роль, что проводимость, и поэтому на основании (49) можно определить эффективное время релаксации для скорости восстановления зарядов и полей после разряда молнии:

ТэФ ~ Ш / е 0 + р ‘

Скорость падения крупных капель около 8 м/с, время релаксации около 7 с, поэтому А«50 м. Можно считать, что в грозовых обла­ ках А«10-12 См/м (И. М. Имянитов [57], Эванс [293]). Отсюда А,А2/е0« 3 - ІО2 м2/с, тогда как значение р для грозовых облаков

149

имеет порядок 10 м2/с. Необходимо также учесть, что крупные частицы не увлекаются целиком воздухом и значение выноса за­

бречь значением выноса заряда за счет турбулентности по сравне­ нию с его уменьшением за счет проводимости. Следовательно, в грозовых облаках кривая восстановления характеризуется прак­ тически только скоростью генерации и разделения зарядов и их рассеянием благодаря проводимости, а время релаксации целиком определяется только проводимостью, т. е.

Из (51) следует, что на основании определения т по кривой вос­ становления при условии, что влияние объемных зарядов под гро­ зовыми облаками невелико, и в предположении о сравнительно простом строении грозовых облаков — монозарядном или диполь­ ном — можно найти значение проводимости в грозовых облаках.

Тамура [545] обратил внимание на особенности хода кривых вос­ становления у поверхности земли после разрядов в грозовых обла­ ках и на их зависимость от расстояния. В дальнейшем типизацию этих кривых выполнил Смит [526] (рис. 48). Как видно из этого ри-

2

V" Г '-.

Рис. 48. Изменения напряженности электрического поля при раз­ рядах внутри облаков (а) и на землю (б) для разных расстояний.

По Смиту [526].

Расстояния: 1 — близкие, 2 — промежуточные, 3 — дальние.

сунка, на близких расстояниях от грозовых облаков не существует каких-либо заметных различий в ходе кривых для разрядов на землю и внутри облаков. На некотором расстоянии происходит изменение полярности скачка потенциала. Для близких расстояний (до 3 км) скачки велики — в среднем около 5-10® В/м, а для зна­ чительных расстояний (около 20 км) эти скачки составляют при­ мерно ІО2 В/м,

150

Т а б л и ц а 35

Зависимость времени релаксации электрического поля для грозовых разрядов на землю от расстояния, по данным наблюдений в Йоханнесбурге.

По Малану [421]

На изменение времени релаксации с расстоянием (табл. 35) не могут оказывать влияние процессы восстановления главных заря­ дов после их нейтрализации при разряде. Поэтому Тамура [545]1 предположил, что, кроме главных зарядов, существует еще объем­ ный заряд над облаком, который создает дополнительную компо­ ненту поля, зависящую от расстояния. Смит [526] нашел для сред­ них значений связь между временем релаксации тср и скачком по­ тенциала после разряда Д£ср:

Смит подчеркивает, что эта формула верна только для средних зна­ чений. Он обнаружил отчетливые различия хода кривых восстанов­ ления для близких гроз на двух станциях, находящихся друг от друга на расстоянии 50 м. Кривые восстановления перестают бытъ плавными, на них видны колебания, которые можно приписать флуктуациям объемного заряда. Особенно значительными эти флук­ туации оказались в период интенсивного ливня.

Чтобы избежать искажений, обусловленных приземным объем­ ным зарядом, И. М. Имянитов [57] предложил проводить измере­ ния на самолете. Измерения, выполненные в районе Кавказа, по­ зволили получить значения времени релаксации поля после ударовмолний (табл. 36).

Как следует из табл. 36, вероятность случаев с временем релак­ сации поля, равным в среднем 4,9 с, быстро уменьшается с увели­ чением времени. В дальнейшем Имянитов [60], анализируя данные для юга Европейской территории Советского Союза, получил не­ сколько меньшее среднее значение времени релаксации — 3,6 с. Па этим данным число случаев с т>10 с составляет 5% общего числа случаев. Если считать, что т ~ 5 с, то на основании (51) проводи­ мость в грозовых облаках оказывается порядка ІО-12 См/м. Со­ гласно Имянитову, наименьшее значение времени релаксации при­ мерно 1 с, а наибольшее не превышает 33 с. Таким образом, сред­ няя проводимость в грозовых облаках может лежать в пределах.

151

ІО-11—3- ІО-13 См/м. Так что молено полагать, что в отдельные мо­ менты времени в ограниченных объемах пространства проводимость в грозах может быть около ІО-11 См/м и больше. Необходимо от­ метить, что над грозовыми облаками на ход кривых восстановления поля оказывает некоторое влияние экранирующий заряд над обла­ ком (И. И. Камалдина [78а]).

Попытка определить величину проводимости по данным измере­ ний времени релаксации поля после разрядов молнии у поверхности земли была предпринята Фрайером [302] для дипольной модели грозового облака. Он провел наблюдения над изменением поля после грозовых разрядов в Нью-Мексико (США) и определил время релаксации поля для ряда случаев на основании этой мо­ дели. Фрайер получил значение т = 15± 10 с и среднее значение 1= = 5,8-ІО-13 См/м. Интерпретируя данные наблюдений Уормеля [587] подобным образом, он получил т=10 с и Я = 9-10-13 См/м. Таким образом, Фрайер также пришел к выводу, что проводимость в грозовых облаках высока.

Представление о том, что в грозовых облаках, в отличие от об­ лаков других форм, проводимость по крайней мере на порядок выше, чем в окружающей безоблачной атмосфере, вызвало возра­ жения. Чалмерс [261] указал, что Фрайером не учтены объемные заряды, возникающие благодаря коронному разряду с поверхности земли, которые на близких расстояниях будут влиять на ход кривой восстановления поля. Но при наблюдениях на больших расстояниях на поверхности земли и с самолета кривая восстановления пра­ вильно отображает основные процессы восстановления поля внутри облаков, так что результаты, полученные Имянитовым и Фрайером, бесспорны, хотя и требуют уточнения.

При рассмотрении вопроса о природе повышенной проводи­ мости в грозовых облаках высказывались предположения о зави­ симости проводимости от напряженности электрического поля. Так, при критическом значении напряженности поля начинается корон­ ный разряд с частиц, ток с которых является функцией напряжен­ ности поля выше критической (см., например, [138, 203, 303]). В. М. Мучник [126] предположил, что проводимость является функ­ цией напряженности поля, т. е. X=f(E), так как число легких ионов, образующихся при дроблении капель в электрическом поле, пропорционально его напряженности. Такого рода представления вызвали сомнение в законности определения проводимости по кри­ вой восстановления поля. Однако Фрайер [303] пришел к выводу, что, несмотря на нарушение закона Ома, по времени релаксации восстановления поля после разряда можно правильно оценить ве­ личину проводимости в грозовых облаках.

В связи с различиями во мнениях относительно величины про­ водимости в грозовых облаках большое значение имеют непосред­ ственные ее измерения. Такие измерения были проведены Эвансом [293] (Аризона, США). Он использовал зонды, сбрасываемые с са­ молета в вершины грозовых облаков. Измерения проводимости ог­ раничивались значениями 10-11—ІО-13 См/м. Эванс считает, что точ­

152

ность измерений находилась в пределах 50 %. В активных грозовых облаках высотой около 9 км была получена максимальная прово­ димость 5 - 10“11 См/м. Из данных Эванса следует, что в грозовых облаках существуют зоны повышенной проводимости. В двух слу­ чаях наблюдений, когда на двухкилометровом пути падения зонда поле мало изменялось, было получено 10- и 100-кратное превыше­ ние проводимости внутри облаков над ее значением вне облаков. Весьма интересным является почти параллельный ход градиента потенциала и проводимости, обнаруженный в этих наблюдениях. При измерениях в негрозовых облаках значения проводимости ока­ зались малыми, что указывает на, правильность методики изме­ рения

2.2.6. Токи в грозовых облаках

Рассматривая грозовое облако как генератор электрического' тока, можно говорить о силе тока, нм вырабатываемого. Состав­ ляющими тока внутри грозового облака являются: токи проводи­ мости, токи конвективного переноса, токи осадков и токи грозовых разрядов. Если о токах осадков и грозовых разрядов имеются не­ которые сведения, то о токах проводимости и конвективных токах известно мало. В предположении, что к грозовым облакам приме­ ним закон Ома, можно определить ток в облаке по данным о токе проводимости над ним. Гиш и Уайт [309] при полетах над грозовыми облаками в США измеряли градиент потенциала и про­ водимость воздуха, на основании которых они определяли плот­ ность тока по трассе полета. Кривые градиента потенциала были в основном симметричны относительно центра грозы и имели отри­ цательный знак. Из измерений над 24 грозовыми облаками было получено, что ток находится в пределах 0—1,4 А, а в одном случае он составлял даже 6,5 А. Среднее значение по данным всех слу­ чаев, за исключением случая с /=6,5 А, оказалось равным 0,3 А.

Измерения над грозовыми облаками в районе субтропиков были выполнены Стерджисом и др. [535]. Они получили, что ток на одно грозовое облако в среднем равен 0,8 А, т. е. значительно больше, чем у Гиша и Уайта. Максимальный ток оказался равным 4,3 А. Возможно, что здесь сказывается влияние географического положе­ ния места измерений: в низких широтах грозы более интенсивны, чем в высоких.

Значительное число измерений токов над вершинами грозовых облаков на территории Советского Союза между 40 и 60° с. ш. было выполнено И. М. Имянитовым и др. [76]. Полеты проводи­

нии данных измерений проводимости чистой атмосферы в различ­ ных районах ([309, 535] и др.). Было получено, что средний ток на

153.

одно грозовое облако составляет 0,11 А, а максимальный 1,4 А. Так как не было уверенности в том, что полеты проводились по центру грозы и фиксировались максимальные значения напряженности поля, то авторы [76] считают, что данные могут быть занижены в 1,5—2 раза. Таким образом, значения токов над грозовыми об­ лаками над территорией Советского Союза меньше, чем значения, измеренные в других районах. Однако этот вывод нельзя распрост­ ранить на грозы большой интенсивности.

Согласно Хольцеру и Саксону [332] и др., в случае дипольной структуры грозовых облаков происходит замыкание части силовых линий, выходящих из положительно заряженной вершины, на по­ верхность земли. Вследствие этого происходит уменьшение тока примерно на 15%. По оценкам [76], абсолютная величина электри­ ческого тока, текущего вне облака, не превышала 10—20% его зна­ чения над облаком.

Чалмерс [261] получил выражение для отношения /р (полный разрядный ток) и /3 (полный ток заряжения) для грозового облака:

(53)

где X— время релаксации; Т — среднее время между грозовыми разрядами,

Андерсон и др. [212] по данным наблюдений за электрическим полем гроз и торнадо у поверхности земли в Миннесоте (США) получили 77т=1,2±0,5 и /Р//З^0,43. Так что в активных грозовых облаках полный ток заряжения примерно в 2 раза превышает пол­ ный ток разряжения в интервалах между разрядами.

2.2.7. Токи с острий под грозовыми облаками

Градиент потенциала на поверхности земли под грозовыми об­ лаками может достигать высоких значений. Вследствие этого про­ исходит коронирование с высоких остроконечных предметов (ку­ старников, деревьев) и образование ионизационных токов. Первым обратил на это внимание Вильсон (см. в [179]), который поместил земляной блок, покрытый травяным покровом, в электрическое поле. При градиентах потенциала, близких к наблюдаемым под грозовыми облаками, он измерял значительный ток коронирования.

Измерения токов с естественных острий — деревьев и т. п.— имеют свои трудности, так как приходится изолировать деревья от земли. Поэтому возникла необходимость в замене естественных ■острий эквивалентными по своему действию искусственными ост­ риями. Специальные параллельные исследования в лабораторных условиях с естественными (ветками, листьями и т. п.) и искусст­ венными остриями (металлическими стержнями с заострениями на конце) в электрическом поле показали, что при одинаковой длине

•они имеют примерно одинаковые значения потенциалов, при кото­ рых с них начинает течь коронный ток.

154

Изучение зависимости тока с острия от градиента потенциала привело к выводу, что между ними существует связь, которую можно приближенно выразить квадратичным законом. Для теоре­ тического обоснования этой связи был предпринят ряд попыток.. Чалмерс [260] получил выражение для тока

ранее уже полученное им, но с эмпирическими постоянными. В (54) (V—Ѵ0) — разность потенциалов на большом расстоянии от местаизмерения на высоте острия и на его конце (при этом потенциал на конце острия принимается равным потенциалу земли); ѵ — ско­ рость ветра. Согласно теории для постоянных получены следующие значения: £ = 2яе0 = 5,6 • 10-11 и a=w/h. Здесь ео— диэлектрическая постоянная; w — подвижность ионов, принимаемая равной 1,5Х ХЮ-4 м2/(В -с); h — высота острия. Сопоставление расчетного зна­ чения g с экспериментальными значениями, полученными разными авторами, выявило, что в большинстве случаев результаты согла­ суются, хотя для данных Киркмана и Чалмерса [362] расхождение достигало целого порядка величины. Однако, несмотря на такое расхождение, Чалмерс [260] считает, что выражение (54) с полу­ ченным им теоретическим значением g более достоверно, чем вы­ веденные ранее выражения для тока с острия.

Непосредственные измерения токов коронирования при грозах были выполнены Уормелем [586] в Кембридже (Англия) с помощью металлического острия, установленного на высоте около 12 м в поле, окруженном высокими деревьями, которые находились не ближе 70 м. При градиентах потенциала, превышающих 800 В/м, наблюдался значительный ток коронирования, причем суммарный положительный ток за время одной грозы превышал отрицатель­ ный. Уормель подсчитал, что за время прохождения одной грозы количество положительного электричества, истекающего из острия, достигает 0,015 Кл. Считая, что ток с острий равен току с естест­ венных предметов, Уормель пришел к выводу, что под центральной частью грозы плотность тока истечения должна составлять не

Симпсон [522], используя данные наблюдений в Кыо, пришел к вы­ воду, что плотность тока под центральной частью грозового облака равна 2 • ІО-6 А/м2.

Михновский [443] в Швидере (Польша) измерял ток с острия, установленного на высоте 19,2 м. При близких грозах он получил экстремальные токи —7 и 15 мкА. Для близких гроз отношение за­ ряда, перенесенного положительным током, к заряду, перенесен­ ному отрицательным током, было больше единицы, а для всех случаев гроз — близких и отдаленных — оно оказалось равным 1,5.

Параллельные измерения токов с изолированного от земли де­ рева высотой 4 м и с острия были проведены в Южной Африке

155

Шонландом [506]. На основании этих измерений он принял, что под центральной частью грозового облака среднее значение тока с одного дерева равно 0,8 мкА. При этом оказалось, что отрица­ тельный ток с дерева был пренебрежимо мал по сравнению с по­ ложительным. Для предполагаемой густоты деревьев, отстоящих друг от друга на 5 м, Шонланд получил, что плотность суммарного тока под грозой равна 16- ІО-6 А/м2. Зависимость тока с острия от напряженности поля для установки Шонланда иллюстрируется табл. 37.

Перри и др. [468] измеряли ток с острия в Нигерии. В среднем при грозах отток положительных зарядов превышает приток при­ мерно в 2,5 раза. Сиварамакришнан [525] провел в Пуне (Индия) измерения тока с острия, установленного на высоте 17,8 м; измере­ ния показали, что под грозой плотность тока истечения находится в пределах (0,1-н0,3) • 10_6 А/м2. Эти значения оказались значи­ тельно более низкими, чем полученные другими авторами.

Согласно В. В. Зыковой [54], в Южно-Сахалинске при грозах отток положительных зарядов из острия в 3,5 раза больше притока.

Для получения значений токов с деревьев, находящихся в есте­ ственных условиях, Маунд и Чалмерс [437] разработали способ из­ мерений, не требующий изоляции дерева от земли. Они обнару­ жили, что ток коронирования с дерева значительно меньше, чем было получено ранее. Мильнер и Чалмерс [445] провели измерения тока коронирования с деревьев еще одним способом, не нарушаю­ щим их естественного состояния. Они получили аналогичные ре­ зультаты. Обнаружилось также, что при быстрых изменениях поля, вызванных грозовыми разрядами, колебания тока с дерева вообще отличаются от таковых для острия (Чалмерс [260]).

М. Н. Герасимова [33] измеряла ток с острия, установленного на Эльбрусе на высоте 4250 м. При близкой грозе наблюдался максимальный ток до 152 мкА, т. е. значительно больший, чем на равнине. Причинами этого являются пониженное давление и бо­ лее высокое значение градиента потенциала. При близких грозах отток положительных зарядов с острия значительно превышал их приток.

2.2.8. Объемные заряды

При рассмотрении вопроса об объемных зарядах в грозовых об­ лаках следует отличать суммарный заряд данного объема, создава­ емый всеми носителями, находящимися в нем, от объемного заряда,

156