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

Дождевая вода имеет всегда значительно большую электропро­ водность, чем бидистиллированная вода. В ней обнаруживаются многие химические вещества, в первую очередь хлориды, сульфиды и сульфаты, а также нитраты и нитриты и ряд других соединений. Это происходит вследствие того, что капельки в облаках образу­ ются на ядрах конденсации, большинство из которых имеет мор­ скую природу или представляет собой продукты сгорания как есте­ ственного, так и искусственного происхождения. Кроме того, капли

воды не зависит от типа дождя, за исключением грозового, для ко­ торого она значительно выше. Причина этого не ясна, так как в грозовых дождях не обнаружено какого-либо увеличения общего содержания примесей.

Из сопоставления данных для чистой и дождевой воды следует, что электропроводность за счет ионов диссоциации составляет не­ большую часть электропроводности, обусловленной ионами приме­ сей. Как показала Т. Г. Бондаренко [15], электропроводность, рассчитанная по данным об ионах примесей, в пределах 2—3% совпадает с экспериментальными данными. Е. С. Селезнева [168] получила, что существует линейная связь между минерализацией (содержанием примесей в мг/л) и электропроводностью осадков, которая в какой-то степени зависит также от pH (концентрации водородных ионов).

Данных об электропроводности облачной воды вообще очень мало, но можно сделать вывод, что она незначительно отличается от электропроводности дождевой воды. Заборы проб в облаках в Ленинградской области на высотах 500—1000 м позволили полу­ чить значения электропроводности облачной воды в пределах (7-ь -ь48) • ІО-4 См/м и одно аномально-высокое значение: 400 • ІО-4 См/м (В. М. Дроздова и др. [40]).

Исследований электропроводности льда также очень мало, а ис­ следования атмосферного льда вообще отсутствуют. Электропро­ водность чистого льда (для постоянного тока) при температуре около 0°С х^4-10~7 См/м, таким образом, она близка к электро­ проводности чистой воды при этой температуре. С понижением тем­ пературы электропроводность льда уменьшается. С увеличением частоты переменного тока электропроводность льда увеличивается. Причина этого заключается в появлении некоторой дополнительной электропроводности, обусловленной, по-видимому, особенностями электронной, дипольно-релаксационной и упругодипольной поляри­ зации молекул. Изменение знака поляризации молекул сопровож­ дается рассеянием электрической энергии.

Рассеяние электрической энергии в переменном поле сказыва­ ется и на величине диэлектрической проницаемости. Так, если ди­ электрическая проницаемость льда в постоянном электрическом поле при температуре около 0°С приближается к ее величине для

167

воды, т. е. к б= 7,2-ІО-10 Ф/м, то в переменном поле и при более низких температурах она может принимать намного меньшее зна­ чение. Для сравнительно низких частот существует хорошо выра­ женная зависимость диэлектрической проницаемости от темпера­ туры. Если при ѵ=103Гц и Ѳ= —5°С е= 6,3 - 10-10 Ф/м, то при по­ нижении температуры до Ѳ= —60°С е=0,31 • 10-10 Ф/м. В то же время для сравнительно высоких температур наблюдается отчетли­ вая зависимость диэлектрической проницаемости от частоты. Так,

при Ѳ= —5°С и ѵ = 6.- ІО4 Гц 8 = 3,3- ІО-10 Ф/м (Смит и Хичкок[529]).

Однако эта зависимость нарушается для частот порядка 1010 Гц и выше. По-видимому, при столь больших частотах время пере­ мены направления поля имеет тот же порядок, что и время установ­ ления дипольно-релаксационной поляризации молекул, что при­ водит к изменению характера их поляризации.

Необходимо учитывать, что как на электропроводность, так и на диэлектрическую проницаемость льда оказывают значительное влияние примеси. Химический анализ воды в твердой фазе (града, снега, изморози и т. п.) обнаружил в ней те же примеси н при­ мерно в тех же концентрациях, что и в жидкой воде. Этого следо­ вало ожидать, так как, согласно современным воззрениям, до обра­ зования твердой фазы вода всегда проходит стадию конденсации на ядрах конденсации.

Благодаря достаточно большой электропроводности льда элект­ рические процессы, например распределение свободных зарядов по поверхности, протекают на ледяных частицах так же, как и на жидких каплях. Для оценки времени релаксации, необходимого для протекания процесса, можно использовать выражение (51). Подставляя в (51) значения для льда при Ѳ= —10° С и ѵ= 50 Гц,

рической частице, находящейся в газовой среде с проводимостью %. Согласно Я. И. Френкелю [186], это время релаксации также опре­ деляется выражением (51). В атмосфере на уровне изотермы —10° С, который для умеренных широт летом соответствует высоте около 5 км, электропроводность имеет порядок ІО-14 См/м. В гро­ зовых облаках она составляет 10-12 См/м. Подставляя эти значе­ ния в (51) и учитывая, что для воздуха ео^9- ІО-12 Ф/м, получаем т= 10-нЮ3 с, т. е. оно на 2—4 порядка больше времени релаксации, необходимого для равномерного распределения зарядов до поверх­ ности ледяной частицы.

3.1.2. Заряжение капель в среде ионов

Одним из механизмов заряжения облачных капелек является захват ионов, который зависит от ряда причин: концентрации и подвижности ионов воздуха, свойств жидкости в поверхностном слое, размеров и скорости падения капелек, напряженности элект­ рического поля и пр. Задачу о захвате ионов в зависимости от раз­

168

личных факторов пытались решать как для облачных капелек, так и для дождевых капель.

Я. И. Френкель [186], исходя из того факта, что в камере Виль­ сона капельки воды заряжаются преимущественно отрицательно, пришел к выводу, что они имеют большее сродство с отрицатель­ ными нонами, чем с положительными. Причиной такого сродства является то, что молекулы воды ориентированы на поверхности своими отрицательными полюсами наружу. Это приводит к обра­ зованию на границе раздела фаз двойного электрического слоя и скачка потенциала в нем, так называемого электрокинетического потенциала. Если капелька воды находится в атмосфере, имеющей равные полярные проводимости, то ее заряжение вызывается на­ личием двойного электрического слоя. Накопление заряда происхо­ дит до тех пор, пока не компенсируется электрокинетический по­ тенциал g. Следовательно,

В реальной атмосфере, как правило, наблюдается заметное не­ равенство полярных проводимостей. Задача о диффузионном заря­ жении капелек воды при условии, что А+#А_, была также решена Френкелем [186]. Он получил, что

висимости от отношения полярных проводимостей и радиуса капли. При А+>А- заряд капли будет положительным, а при А+<А-— от­ рицательным.

Ганн [325] получил зависимость заряда капли от времени при диффузии ионов и близких значениях полярных проводимостей:

(57)

где Ео — диэлектрическая проницаемость воздуха; А — абсолютное значение полярной проводимости.

Из (57) следует известное выражение (51) для времени релак­ сации. Заметим, что, согласно Френкелю [186], время релаксации также определяется формулой (51), но только А является не поляр­ ной, а суммарной проводимостью воздуха.

При рассмотрении электризации капелек в воздухе, содержащем легкие иены, можно учесть влияние электрического поля. Эта за­ дача была впервые поставлена Вильсоном [572] и затем в тех или иных предположениях теоретически решалась Г. Ф. Друкаревым [41], Уипплом и Чалмерсом [567], Мюллер-Гиллебрандом [452] и др.

Электризация капелек, скорость падения которых меньше ско­ рости движения ионов в электрическом поле, зависит от напряжен­

169

ности поля и значения полярных проводимостей воздуха. Эта за­ дача равноценна задаче об электризации падающей капельки, ко­ торая увлекает за собой достаточно толстый слой ионизированного воздуха, или неподвижной капельки.

В таком случае процесс электризации капли можно описать уравнением (см. [41])

а также для времени релаксации

іА+х_.

Описанные выше теоретические задачи об электризации капель не учитывают всех особенностей процесса. Это связано с тем, что в коллективе облачных капель при их электризации формируется распределение зарядов, в то время как рассмотренные задачи дают представление лишь о поведении среднего заряда капель. Так, при равных парциальных проводимостях Я+=Я._ в коллективе капель наблюдаются заряды обоих знаков, а средний заряд равен нулю. Кроме того, возможно и взаимовлияние капель при их электри­ зации.

Н. А. Фукс [188] исследовал вопрос о величине зарядов облач­ ных капелек в предположении, что облако монодисперсное, ионы однозарядные и полярные проводимости равны. Он получил, что в облаке устанавливается стационарное распределение зарядов, ко­ торое аппроксимируется формулой Больцмана

где Пі — число капель с і элементарными зарядами е; по — число незаряженных капель.

Фукс произвел оценку времени, необходимого для установле­ ния стационарного распределения зарядов в облаке. Приняв я0=

=100 см-3, он получил, что это время составляет около 1 ч. Задача о заряжении частиц в ионной среде решалась Плювина-

жем [472] без учета зеркальных сил, Брикаром [243] с их учетом и

170

Г, Л. Натансоном [149] специально для амикроскопических ча­ стиц. Наиболее полное решение этой задачи было дано Н. А. Фук­ сом [190].

Ю. С. Седунов [165] показал, что при электризации частиц про­ извольной формы устанавливается стационарное распределение за­ рядов вида

п — общее число частиц; р — количество элементарных зарядов на ионе; С — емкость частицы.

Из (60) и (61) следует, что дисперсия распределения зарядов пропорциональна характерному размеру частиц в первой степени:

причем С—г для капель радиусом г.

Б. Е. Фишман [184] рассмотрел электризацию'коллектива облач­ ных капель и получил, что дисперсия распределения зарядов может более сложным образом зависеть от размера капель. Так, если в пределах облака парциальные проводимости Х+ и X- заметно ме­ няются, дисперсия зарядов должна быть значительно больше ве­ личины, даваемой (62).

П. В. Лисовский [398], измеряя заряды капелек минерального масла радиусом от 0,15 до 2 мкм, получил, что они удовлетвори­ тельно описываются распределением (60).

Экспериментальные исследования заряжения капель воды в ионной среде не подтверждают представления Я. И. Френкеля, хотя и не опровергают их полностью. Так, было замечено, что_ свежеобразованный водный аэрозоль внячалр-п-реимунгест-венно заряжается отрицательно и только затем распределание,-за.рядов по размерам становится симметричным (А. П. Сергиева [169]). К со­ жалению, в опытах Сергиевой неизвестна концентрация ионов, но то, что вначале процесса заряжения капли приобретают преимуще­ ственно отрицательные заряды, можно истолковать как большее сродство капель воды с отрицательными нонами. С другой стороны, если в этих опытах полярные проводимости в камере (объем 500 м3) были близкими, т. е. Х+^Х-, то можно ожидать преимущест­ венного заряжения капелек отрицательными ионами в начальный период вследствие большей подвижности последних. Вместе с тем опыты Сергиевой являются подтверждением того, что в начале про­ цесса заряжения капельки приобретают преимущественно отрица­ тельные заряды. В опытах Гилеспи и Ленгстрита [308] изучалась зависимость электризации порошкообразного кремнезема, который не является полярным веществом, от времени. Было получено со­ вершенно симметричное распределение зарядов независимо от времени (от 6 до 200 мин), т. е. вещество частиц не влияло на

171

распределение зарядов на них. В этих опытах соотношение поляр­ ных проводимостей не было известно.

В опытах Филипса и Ганна [325] изучалось заряжение медных шаров (диаметром 0,64 и 1,27 см) в ионном потоке известной ско­ рости. При равных концентрациях положительных и отрицательных ионов шары заряжались отрицательно. Причиной такого заряжения является различие в подвижности отрицательных и положительных ионов. Действительно, покрывая поверхность медных шаров разно­ образными веществами и чистым льдом, авторы не обнаружили ка­ ких-либо заметных изменений в электризации. Основным в про­ цессе заряжения частиц, в том числе водяных капель, в среде

ск+Фк- является отношение ионных концентраций. Поэтому если

исуществует двойшіДэлектричещедц.цсл.ой на поверхности водяной капли, то "скачок^потенциала в нем невелик и не является определяющим в заряжении капёль.'вбдьі в ионной среде.

Готт [313] экспериментально получил качественное подтвержде­ ние зависимости заряжения капель от скорости потока и отноше­ ния полярных концентраций ионов. Аббас и Лезем [207] нашли хо­ рошее количественное согласие между теорией заряжения падаю­ щих капель в электрическом поле и экспериментальными данными для среды, содержащей ионы в любых концентрациях. Ледяные сферы с шероховатой поверхностью показали несколько увеличен­ ную степень электризации, по-видимому, из-за особенностей строе­ ния льда на поверхности.

3.1.3. Электризация при контакте и трении ледяных частиц

Согласно Гельмгольцу, при контакте двух тел разной химиче­ ской природы на поверхностях соприкосновения образуются заряды в виде двойного электрического слоя, которые при разделении тел могут остаться на них уже как свободные. В этом случае разность потенциалов двойного электрического слоя пропорциональна кон­ тактной разности потенциалов тел. Эти верные в основе своей пред­ ставления все же совершенно недостаточны для описания меха­ низма образования зарядов при контакте, так как их величина за­ висит от многих факторов: кроме химического состава тел, от их кристаллической структуры, геометрии, упругости, теплового со­ стояния, молекулярных сил сцепления, относительной скорости и условий соударения, электропроводности и диэлектрической про­ ницаемости, плотности окружающей среды и пр. Именно поэтому происходит электризация также при контакте тел одинаковой хи­ мической природы.

Согласно Харперу [333], М. М. Бредову и И. 3. Кшемянской [16], И. М. Имянитову [59] и др., величина зарядов определяется усло­ виями, существующими в момент разрыва контакта. При контакте происходит обмен электронами и ионами между телами до тех пор, пока не наступает термодинамическое и электростатическое равно­ весие, которому будет соответствовать разность потенциалов,

172

равная контактной разности потенциалов. При быстром разрыве контакта происходит нарушение термодинамического равновесия, которое вызывает возникновение некоторой разности потенциалов, зависящей от общей емкости тел в новом положении и зарядов, образовавшихся при контакте и не успевших стечь.

Если считать, что расстояние, на котором прекращается обмен зарядами между плохо проводящими телами, при разрыве кон­ такта имеет порядок ІО-8—-ІО-9 м (И. М. Имянитов [59]) и что от­ носительная скорость их движения после контакта лежит в преде­ лах 10_|—10 м/с, то время, необходимое для разлета их на такое расстояние, оказывается равным ІО-7—10_|° с. Для льда на осно­ вании (51) было получено время, 'необходимое для растекания за­ ряда в случае постоянного поля, т~10-2 с (см. стр. 168), величина, на много порядков превышающая время разлета тел. Но при раз­ лете происходит быстрое изменение напряженности поля в зазоре между телами, т. е. поле является не постоянным, а переменным. Для высокочастотных электрических полей при Ѳ= —10° С можно принять для льда е~3- ІО-11 Ф/ми%=2> Ю-5 См/м. Тогда т«П0-6 с, т. е. по крайней мере на порядок больше времени разлета тел. На основании этой оценки можно считать, что для случая соударения ледяных частиц требование, чтобы заряды за время разлета тел не успели стечь с места образования, полностью выполняется.

После разъединения тел термодинамическое равновесие восста­ новится по отношению к среде, в которой находятся тела. В ко­ нечном счете между поверхностями этих тел установится разность потенциалов, равная разности работ выхода электронов и ионов. При разрыве контакта до расхождения тел на такое расстояние, при котором прекращается перенос зарядов с одного тела на дру­ гое, осуществляется перенос электронов в зазоре за счет газового разряда или туннельного эффекта.

При соприкосновении двух частиц с разной химической при­ родой в месте контакта устанавливается разность потенциалов 1/к, которая зависит от работы выхода электронов Ѵ\ и Ѵ2. В случае диэлектриков поле зарядов будет проникать на некоторую глубину под поверхность частиц, зависящую от их свойств, и для каждой частицы установится некоторая разность между потенциалами на

реход электронов из одной частицы в другую, поле которых ском­ пенсирует эту разность потенциалов. В случае соприкосновения металлических частиц, у которых поле практически не проникает внутрь тел, U\ ~ U2 = 0 и Ѵк= Ѵ\ — Ѵ2.

Если предположить, что частицы соприкасаются в пределах не­ которой площади 5 и расстояние между ними в среднем равно d, тогда заряд в плоском конденсаторе емкостью С]2, компенсирую­

173

Вследствие утечек заряд будет меньше на величину, определяе­ мую временем релаксации т и длительностью контакта t:

Существование линейной зависимости между зарядом и кон­ тактной разностью потенциалов для контакта металл—металл и ме­ талл— полупроводник было установлено в экспериментах Харпера [333], М. М. Бредова и И. 3. Кдпемянской [16].

И. М. Имянитов [62] рассмотрел вопрос о равновесном заряде, который должна получить проводящая сфера радиусом R при со­ ударении со сферическими частицами радиусом г. Уравнением за­ ряжания сферы будет

разрядки за счет соударения с частицами и за счет проводимости воздуха соответственно. В результате Имянитов получил, что

целого ряда обстоятельств (состояния поверхности в разных точках сферы, некоторого различия в примесях в частицах, угла и ско­ рости соударения и т. п.), заряд сферы определяется как некоторая средняя величина. Согласно Л. С. Мордовиной [118],

174

по электризации стальной сферы при соударениях со стальными шариками [70].

В природных условиях при электризации частиц в облаках трудно представить случаи «чистого» контакта ледяных частиц, без трения. Вследствие этого условия электризации должны сильно из­ меняться, так как при трении возникают многочисленные, быстро протекающие контакты частиц в отдельных соприкасающихся точ­ ках и, кроме того, наблюдается разрушение поверхностного слоя в этих точках. Оба эффекта должны приводить к электризации тру­

поводу можно высказать только самые общие предположения. Так, рассматриваемые эффекты моіут иметь как одинаковое, так и противоположное направление, что, по-видимому, зависит от свойств частиц льда. Если в процессе трения изменятся свойства частиц льда, то можно ожидать изменения как степени, так и знака их электризации.

Необходимо отметить, что контакт и трение частиц льда, про­ исходящие при температурах, не очень отличающихся от 0° С, имеют особенности, не свойственные твердым телам другой хими­ ческой природы. При трении ледяных частиц в месте соприкоснове­ ния происходит выделение тепла за счет механической энергии, которое может привести к плавлению тончайших слоев льда с об­ разованием прослойки жидкой воды. Этим пытаются объяснить уменьшение коэффициента трения при скольжении по льду. Из многочисленных опытов было установлено, что при увеличении дав­ ления на 1 атм происходит понижение температуры плавления при­ мерно на 0,0075° С. На этом основании можно полагать, что вряд ли давление при трении или контакте ледяных частиц играет су­ щественную роль при низких температурах. При температурах, близких к 0° С, этот эффект, возможно, играет какую-то роль, осо­ бенно из-за того, что при трении тел площадь действительного со­ прикосновения значительно меньше общей площади, охватывающей все точки их соприкосновения, вследствие шероховатости поверх­ ностей. При контакте без трения будет отсутствовать выделение тепла за счет трения одного тела о другое, тогда как давление од­ ного тела на другое сохраняется. Следовательно, отличия могут за­ ключаться в том, что при контакте интенсивность образования слоя меньше, чем при трении.

На электризацию ледяных частиц будет также оказывать влия­ ние агдезия, которая в случае образования жидкого слоя должна быть вообще велика, особенно при его замерзании, приводящем к смерзанию частиц. При разрушении смерзшегося ледяного слоя также должна происходить электризация частиц.

Исследования электризации при трении твердых тел или частиц имеют наиболее длинную историю, начавшуюся, по-видимому, в то время, когда было установлено, что при натирании янтаря появ­ ляются электрические силы. Вместе с тем трудно себе представить

175

более сложную и капризную область исследований, чем электриза­ ция трением. Уже давно обнаружилось, что как знак, так и интен­ сивность электризации зависят от многих причин: химического со­ става вещества, свойств поверхности, механического напряжения, температуры, влажности воздуха и т. п. Поэтому неудивительно, что исследования электризации при трении льда или ледяных частиц были начаты только в XX в., когда выяснилось, что многие электрические явления в атмосфере происходят при участии ледя­ ных частиц. В табл. 40 приведены результаты качественных опы­ тов по электризации при трении ледяных частиц и тел.

Как следует из табл. 40, при трении ледяных частиц о поверх­ ность ледяных тел первые, как правило, электризуются отрица­ тельно, а вторые — положительно. Однако этих данных совершенно недостаточно для описания процессов электризации при контакте и трении ледяных частиц. Именно поэтому в течение последних двух десятилетий было выполнено значительное число исследова­ ний, в которых обращалось особое внимание на количественные характеристики условий экспериментов по электризации при кон­ такте и трении ледяных частиц. Остановимся сперва на исследова­ ниях электризации при контакте.

Брук [244] изучал электризацию при контакте лед—лед, когда трение было почти полностью исключено. Было получено, что при контакте образуется разность потенциалов, зависящая от разности температур ледяных тел, причем при перемене знака разности температур происходило соответственное изменение знака раз­ ности потенциалов. Более нагретое ледяное тело приобретало от­

176