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

создаваемого зарядами только гидрометеоров. Нас будет интересо­ вать именно суммарный заряд, так как электрическое поле в гро­ зовых облаках обусловливается распределением объемных заря­ дов. Поскольку отсутствуют данные непосредственных измерений суммарного объемного заряда в грозовых облаках (известно только небольшое число измерений зарядов гидрометеоров, о которых уже упоминалось), по распределению напряженности поля, используя уравнение Пуассона, можно найти величину объемных зарядов, если можно пренебречь горизонтальными составляющими поля:

1 дЕ

Здесь р — объемный заряд; Е — напряженность поля; z — высота. На основании многочисленных исследований в мощных кучевых и грозовых облаках И. М. Имянитов [61] получил данные об объ­

большие средние объемные заряды и особенно большие скорости их накопления. Можно полагать, что экстремальные значения, кото­ рых может достигать плотность объемного заряда в малых объ­ емах, достаточны для инициирования грозовых разрядов.

Весьма существенным является вопрос о напряженности поля, при которой происходит начальное образование разряда. Предпо­ лагается, что для дальнейшего развития молнии требуется значи­ тельно меньшая напряженность поля. И. М. Имянитов и Т. В. Лободин [67] считают, что для возникновения молнии достаточна на­ пряженность ІО6 В/м. Максимальная измеренная напряженность поля при ударе молнии оказалась равной примерно 4 ■ІО5 В/м, и, так как нет оснований полагать, что измерения были выполнены именно в том объеме, где инициировался разряд, можно считать, что действительное значение лежит где-то между 10® и 4-10® В/м.

Размеры областей инициирования грозовых разрядов должны быть значительно меньше размеров основных заряженных областей.

157

Отдельные грозовые ячейки имеют по горизонтали не более 10 км, поэтому предполагается, что размеры основных областей зарядов в них не превышают нескольких километров. Объемы с максималь­ ной плотностью' зарядов, где происходит инициирование молний, должны быть еще на порядок меньше, т. е. их линейные размеры составляют несколько сотен метров. Исследования этого вопроса были выполнены Имянитовым и Лободиным [67] по измерениям электрического поля и собственного заряда самолета ТУ-104 при полетах в двух активных и 25 разрушающихся грозовых облаках

(табл. 39).

Согласно табл. 39, в зрелых грозовых облаках существуют зоны неоднородности с размерами примерно до 2000 м; максимальной повторяемостью характеризуются зоны размером 200—400 м. В процессе распада грозовых облаков ширина зон растет. Так, максимум повторяемости перемещается на интервал 400—600 м. Как указывают авторы [67], в мощных кучевых облаках размеры зон в основном не превышают 500 м, а максимум повторяемости приходится на интервал 50—100 м. Таким образом, по мере разви­ тия облаков от мощных кучевых к грозовым происходит увеличе­ ние размеров зон неоднородности.

Следуя [67], вычислим плотность объемного заряда в зоне неод­ нородности, достаточную для образования напряженности пробоя 10е В/м. Пусть зона неоднородности представляет собой сферу ра­ диусом 100 м; тогда плотность объемного заряда равна около ІО-6 Кл/м3. Таким образом, плотность объемного заряда в зонах неоднородности грозовых облаков должна быть на один-два по­ рядка выше средней.

В связи с отсутствием измерений объемного заряда в грозовых облаках в свободной атмосфере представляют интерес измерения М. Н. Герасимовой [33] на Эльбрусе на высоте 4250 м. Экстремаль­ ные значения плотности объемного заряда, измеренной ею при сла­ бой грозе, оказались равными 7,3-10-9 и —6,3-ІО-9 Кл/м3 и нахо­ дятся в пределах данных, полученных для гроз другими методами

(см. табл. 38).

158

2.2.9. Электричество теплых кучево-дождевых облаков

При исследованиях электричества дождящих конвективных об­ лаков (электрического поля, зарядов облачных и дождевых капель и т. д.) чрезвычайно мало внимания уделялось вопросу о структуре этих облаков — жидкокапельные они или смешанные. Получение характеристик электрического состояния теплых облаков в умерен­ ных широтах — весьма сложная задача, поскольку редко сущест­ вует возможность достаточно четко выделить наблюдения, относящиеся именно к таким облакам. Поэтому нами будут использованы результаты наблюдений в низких широтах и мате­ риалы наблюдений в теплых облаках слоистых форм.

Фицджеральд и Бейере [299] провели наблюдения в районе Карибского моря над пассатными дождящими кучевыми облаками, вершины которых не достигали уровня изотермы 0°С. Оказалось, что напряженность горизонтального электрического поля не превы­ шала ІО3 В/м и большим значениям водности соответствовали боль­ шие значения напряженности поля. В каждом из этих облаков Фицджеральд и Бейере обнаружили область значительных разме­ ров с преобладанием отрицательных зарядов и несколько областей сравнительно малых размеров с преобладанием положительных зарядов. Повторные полеты через зону радиоэхо привели к выводу, что увеличение напряженности электрического поля соответствует области активных восходящих токов и росту облака. При диссипа­ ции облака наблюдалось заметное ослабление поля.

При полетах над вершинами теплых кучевых облаков над побе­ режьем Флориды (США) Воннегут и Мур [560] измеряли верти­ кальный градиент потенциала. В одном из полетов было обнару­ жено, что сравнительно большие по абсолютной величине отрица­ тельные градиенты потенциала (до —3- ІО3 В/м) в развивающихся мощных кучевых облаках несколько уменьшаются и даже перехо­ дят в небольшие положительные значения (1,5-ІО3 В/м) при пре­ образовании мощных кучевых облаков в кучево-дождевые, т. е. при обнаружении в Cu cong. признаков дождя. Так что с образо­ ванием дождя в мощных кучевых облаках происходят заметные электрические преобразования, сказывающиеся на градиентах по­ тенциала выше облаков.

Несмотря на многочисленные наблюдения за электрическими зарядами осадков, почти не было наблюдений, когда было бы до­ стоверно известно, что капли выпадают из теплых облаков. Поэтому большой интерес представляют наблюдения за зарядами капель дождя Такахаши и Исоно [543] на о. Гавайи. Измерения зарядов отдельных капель на склоне горы Мауна-Кеа при ливнях в теплых облаках показали, что могут встречаться как случаи со смесью положительно и отрицательно заряженных капель (с некоторым пре­ имуществом первых), так и случаи только с положительно заря­ женными каплями. В большинстве случаев поле было отрицатель­ ным, обратным по знаку зарядам капель, т. е. обнаруживался зер­ кальный эффект, установленный Симпсоном [522] в интенсивных

159

дождях. Этот эффект авторы [543] обнаружили и при слабых лив­ невых дождях, но поле при этом было положительным и несколько меньшим, чем при интенсивных ливнях.

Во всех выпусках специальных радиозондов отмечались как по­ ложительно, так и отрицательно заряженные капли, но почти всегда с некоторым преобладанием одних над другими. Такахаши и Исоно реконструировали распределение зарядов в орографическом кучево­ дождевом облаке, обычно образующемся при натекании на склон горы воздуха с моря, на основании двух выпусков радиозондов на склоне горы Мауна-Кеа (№ 3 и 9) и одного — в Хило (№ 11)

Н к м

4 Г

I

//iff

Рис. 49. Распределение зарядов капель дождя в орографическом кучево-дож­ девом облаке по данным специальных радиозондов, выпущенных на о. Гавани на склоне горы Мауна-Кеа на высоте около 700 м (№ 3 и 9) и в Хило на уровне моря (№ 11). По Такахаши и Исоно [543].

(рис. 49). Как следует из данных зонда № 3, у земли наблюдался как положительный, так и отрицательный ток, создаваемый отдель­ ными каплями дождя. Электрическое поле было отрицательным. Как под облаком, так и в облаке дождь состоял из смеси положи­ тельно и отрицательно заряженных капель. Большая часть зарядов капель находилась в пределах от —2- ІО-12 до 7 • ІО-12 Кл. Из дан­ ных зонда № 9 видно, что соотношение количеств положительно и отрицательно заряженных капель на разных высотах весьма сильно различается, а у поверхности земли наблюдается хорошо выражен­ ный зеркальный эффект в период усиления положительного тока, создаваемого каплями дождя. Наконец, данные зонда № 11 пока­ зывают преобладание отрицательно заряженных капель почти по всем высотам, тогда как у поверхности земли ток осадков очень небольшой. Заряды капель на высотах находились в основном в пределах от —1 ■ІО-12 до 3>10-12 Кл. Из этих данных Такахаши и Исоно пришли к выводу, что в верхней части облака на каплях

160

осадков находится отрицательный суммарный заряд, а в нижней — положительный. Согласно оценке, объемный заряд, создаваемый дождевыми каплями в верхней части облака, составляет

—1,5 ■ІО-10 Кл/м3, а в нижней части 1,5-ІО-10 Кл/м3. Авторы [543] считают, что столь большие плотности зарядов указывают на воз­ можность возникновения грозовых разрядов в теплых облаках. Однако к этой модели распределения зарядов в пассатном орогра­ фическом кучево-дождевом облаке необходимо относиться с неко­ торой осторожностью, так как она явилась результатом обобщения данных только трех радиозондовых наблюдений, проведенных по случайным траекториям и к тому же в разные дни.

2.2.10. Грозы в теплых облаках

Весьма интересным представляется вопрос о возможности обра­ зования грозы в теплых облаках. Считается общепринятым, что

всубтропических и тропических районах грозы в теплых облаках образуются не редко. Не исключена вероятность образования грозы

втаких облаках и в умеренных широтах. Однако сведения об об­ разовании гроз в теплых облаках весьма скудны. Более того, зна­ чительное число данных о грозах в теплых облаках, которые опи­ саны в литературе, получено в результате случайных наблюдений. Поэтому их достоверность вызывает некоторое сомнение, и суще­ ствует необходимость в специальных исследованиях для решения этого вопроса.

Одним из наиболее ранних является сообщение Фостера [300] о грозе в теплых облаках вблизи Марианских островов (Тихий океан). При полете над облаками были обнаружены вспышки мол­ нии в двух трубообразных кучево-дождевых облаках, из которых шел дождь. Диаметр облаков составлял 100—150 м, а вертикаль­ ная мощность — около 1600 м. Вспышки молнии происходили через 9—11 с в центральных частях облаков, ярко освещая их изнутри. Самолет летел на высоте около 2400 м, примерно в 30 м над вер­ шиной облаков (температура 6°С), тогда как изотерма 0°С распо­ лагалась на высоте около 4500 м. Непосредственно вблизи этих облаков был отмечен заметный рост радиопомех.

Ганн [326] в связи с наблюдениями Фостера сообщает, что, кон­ сультируясь с многочисленными пилотами, совершающими полеты над океанами, и метеорологами, знакомыми с погодными условиями над океанами, он получил подтверждения существования подобных теплых гроз.

Против мнения Ганна о существовании теплых гроз возражает Аппельман [213]. Он считает, что, по всей вероятности, теплые грозы — это не что иное, как обычные грозы в стадии разрушения, когда произошло опускание вершины. При этом Аппельман ссыла­ ется на данные, полученные при исследованиях по проекту «Гроза» в США: «хотя облако должно достигать весьма большой высоты и низкой температуры для того, чтобы возникли молнии, грозовая1

деятельность сохраняется и после опускания вершины ячейки до значительно меньшей высоты». Он указывает также на то, что это

грядой облаков с хорошо выраженными ячейками диаметром около 3 км. Температура на уровне их вершин была около 2° С. Вершины облаков имели вид цветной капусты, типичный для мощных куче­ вых облаков. В течение 5 мнн в облаках наблюдались вспышки мол­ нии каждые 3—4 с. Так как уже наступили сумерки, вспышки мол­ нии были отчетливо видны, при этом каждый разряд освещал центр облака изнутри. Основание облаков находилось на высоте около 800 м. Под облаками осадки не обнаруживались, но, так как в это время стало темно, могло оказаться, что осадки не удалось заме­ тить.

сообщения Дина о грозах над Бермудскими островами в 1958 г., Хефермана — над Флоридой в 1958 г., Леонарда — вблизи берегов Бразилии в 1959 г. Мур и др. [450] в одном из полетов в районе Больших Багамских островов наблюдали вспышки молнии в об­ лаке, которое находилось на расстоянии около 50 км от самолета и располагалось ниже уровня изотермы 0°С. Но к тому времени, когда Мур и др. приблизились к облаку, его вершина уже находи­ лась примерно на 1000 м выше уровня изотермы 0°С.

Наиболее точными авторы [450] считают наблюдения, выполнен­ ные 8 июля 1959 г. В одном из активных облаков, находившемся на расстоянии около 45 км от самолета и на высоте около 500 м над уровнем изотермы O'1С, были визуально обнаружены грозовые разряды. Затем облако разрушилось. К этому времени вблизи развилось новое изолированное облако ниже уровня изотермы 0°С, в котором в течение 10 мин произошли четыре разряда. При вспышках молнии удалось сфотографировать новое облако. Оно находилось в 26 км от самолета, и другие радиоэхо ближе 65 км не наблюдались. Радиоэхо исчезло через 5 мин после прекращения грозовых разрядов.

Весьма интересными являются наблюдения Россби [489] за гро­ зовыми разрядами в теплых облаках (Флорида, США); эти наблю­ дения были выполнены в связи с разработкой методов наблюдений атмосфериков со спутников. Самолет был оборудован устройством для регистрации атмосфериков на ультравысокой частоте (610 МГц). Высота полетов (3050 м) поддерживалась постоянной, и наблюде­ ния производились в 16 км от облака. Для повышения качества наблюдений они велись почти исключительно вечером, что, к сожа­ лению, не позволяло обнаруживать ливни. 22 июля 1964 г. в не­ больших облаках конвективного характера проявлялась интенсив­ ная грозовая активность. Уровень изотермы 0°С находился на высоте 4800 м, а вершины облаков — несколько ниже самолета.

162

облаках в этом районе они следуют с интервалами в основном от 20 до 50 с. По-видимому, в теплых облаках молния состоит из од­ ного разряда, тогда как в развитых грозовых облаках — из некото­ рого числа последовательных разрядов. Обнаружено также разли­ чие в атмосфериках на частоте 610 МГц для грозовых разрядов из теплых кучевых и развитых грозовых облаков. В развитых грозо­ вых облаках атмосферики представляют собой как бы вспышку значительного числа импульсов длительностью 1—2 мкс каждый со средним интервалом между ними 3 мкс. В теплых облаках на­ блюдаются не вспышки, а отдельные импульсы, разделенные боль­ шими интервалами. 27 июля теплое облако, в котором наблюдались молнии, переросло в развитое кучево-дождевое облако с наковаль­ ней. Атмосферики, создаваемые грозовыми разрядами, пока облако было теплым, были такими же, как во время наблюдений 22 июля. При росте вершины облака до уровня изотермы 0°С произошло увеличение числа импульсов, но их характер остался прежним. Когда же вершина облака значительно превысила этот уровень, распределение импульсов претерпело значительное изменение и стало типичным для развитых грозовых облаков.

Образование гроз в теплых орографических облаках наблюдал Михновский [443а] в Демократической Республике Вьетнам на гор­ ной станции Ча-Па, находящейся на высоте 1570 м. Непосредственнно перед заходом солнца 29 июня 1959 г. на юго-запад от стан­ ции Ча-Па над долиной р. Муонг-Хан-Хо им было замечено кучевое облако. При наступлении сумерек между вершиной и основа­ нием облака вспыхнула молния. Гром был едва слышен. Михнов­ ский определил, что вершина облака находилась на высоте около 2500 м. Через 3 мин после первого разряда произошла новая вспышка молнии. За это время вершина облака достигла высоты 3200 м. Так как в этом районе изотерма 0°С в июне не опускается ниже 4000 м, Михновский считает, что облако было теплым.

Мани и др. [423] приводят данные наблюдений за развитием

с большой частотой — через каждые 5—10 с, вершина облака, по радиолокатору, находилась на высоте около 3000 м, где темпера­ тура была около 10° С. Область облака, в которой наблюдались разряды, перемещалась вверх.

Хаутон [340] сообщает, что в Акапулько (Мексика), расположен­ ном на побережье Тихого океана, часто наблюдаются интенсивные ночные грозы, часть которых, возможно, является теплыми. Он приводит случай, который наблюдался ночью в октябре 1968 г:, когда две молнии ударили в здание недалеко от наблюдателя. Дождь был весьма интенсивным, однако капли были относительно малых размеров. По данным пилотов, высота облаков не превы­ шала 4200 м, т. е. вершины облаков располагались ниже уровня

Глава 3

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ В ГРОЗОВЫХ ОБЛАКАХ

Образованию заряженных областей в грозовых облаках пред­ шествуют процессы, приводящие к электризации облачных частиц и гпдрометеоров. Только в тех случаях, когда электризация частиц протекает таким образом, что на частицах, перемещающихся под действием гравитационных сил с разной скоростью, оказываются заряды разных знаков, или заряды на частицах и в воздухе имеют разные знаки, может происходить их разделение. Если процессы электризации будут протекать достаточно интенсивно и длительно, а процессы рекомбинации зарядов и их диссипации — сравнительно медленно, возможно накопление зарядов в определенных областях грозового облака, между которыми возникнут сильные электриче­ ские поля с напряженностью, достигающей критических, т. е. доста­ точных для возникновения молнии, значений. Следовательно, обра­ зование заряженных областей в грозовых облаках, как, впрочем, и в любых других, начинается с электризации облачных частиц и гид­ рометеоров в них. Поэтому для выяснения механизма возникнове­ ния грозового электричества необходимо в первую очередь рас­ смотреть, какие процессы электризации могут иметь место в ку­ чево-дождевых облаках. Затем необходимо выяснить, какие из этих процессов являются доминирующими.

В процессах электризации, которые возможны в облаках, всегда участвуют ионы: то ли молекулярные, то ли легкие и тяжелые, об­ разующиеся в воздухе, то ли атомные и молекулярные, образую­ щиеся внутри воды в жидкой или твердой фазе. В воздухе образу­ ются также электроны, однако они, как и воздушные молекулярные ионы, имеют малую продолжительность жизни и непосредственно слабо влияют на процессы электризации облаков в целом. В такой же степени малую роль играют и тяжелые ионы. Процессы электри­ зации в облаке, в которых участвуют воздушные ионы, происходят при их контакте с частицами. Такой контакт может обеспечиваться диффузией ионов, влиянием электрического поля и свойствами по­ верхностного слоя частиц, как это показано схематически в левой части рис. 50. Электризация при участии молекулярных ионов мо­ жет иметь место в основном при контакте или разрушении частиц.

165

Процессы электризации

Рис. 50. Схема процессов электризации гидрометеоров.

И в этом случае процессы электризации могут происходить в ре­ зультате действия электрического поля пли благодаря физико-хи­ мическим особенностям воды в жидкой и твердой фазах (правая часть схемы на рис. 50).

Со времени установления того факта, что грозовые разряды имеют электрическую природу, т. е. почти за 200 лет, было открыто и исследовано огромное количество различных процессов электри­ зации облачных частиц и гидрометеоров. Затем эти процессы под­ вергались критической оценке, и многие из них отбрасывались, одни — потому, что они вообще не могут иметь место в грозовых облаках, другие — вследствие их весьма незначительной роли в об­ щем балансе электрических зарядов. Ниже будут рассмотрены про­ цессы электризации, которые могут играть определенную роль в об­ разовании грозового электричества.

3.1.1.Электропроводность и диэлектрическая проницаемость воды

вжидкой и твердой фазах

На процессы переноса зарядов в воде в жидкой и твердой фа­ зах оказывает значительное влияние ее электропроводность и ди­ электрическая проницаемость. Поэтому перед тем, как перейти к рассмотрению процессов электризации, остановимся на этих во­ просах.

Как известно, вода и лед обладают электропроводностью, сильно зависящей от примесей. В чистой воде электропроводность обеспе­ чивается ионами Н+ и ОН- , образующимися вследствие диссоциа­ ции молекул воды. В тщательно очищенной от примесей воде при температуре 25° С находится ІО-7 г-ионов/л. Измерения показали,

Xi8 = 0,36- ІО-5 См/м, что находится в хорошем согласии с данными измерений. Бидистиллированная вода обычно имеет хі8=Ю~4 См/м. Диэлектрическая проницаемость е воды весьма велика: в постоян­ ном электрическом поле она равна 7,2* Ю-10 Ф/м.

166