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

насом и Мейсоном [351]. Они считают, что двойной электрический слой имеет значительную толщину, порядка 1 мкм, и что его внеш­ няя, отрицательно заряженная часть сравнительно малоподвижна, тогда как внутренняя — легкоподвижна. Поэтому под воздействием тока воды под слоем может

устанавливался таким образом, что положительный заряд при

подъеме капилляра его сжатие наступало столь быстро, что поло­ жительный заряд не успевал пройти вверх. В результате основная масса жидкости получала положительный заряд, а уносимая капил­ ляром— отрицательный. Величина зарядов порядка 10-и Кл.

207

раствора NaCl с образованием капелек радиусом 23 и 27 мкм, меньшие капельки приобретали положительные заряды, большие — отрицательные. Авторы [351] полагают, что более крупная капелька играет роль капилляра, поскольку соединительная часть нити у этой капельки вытягивается несколько больше, чему меньшей капельки. При быстром разделении это должно привести к образованию на более крупной капельке отрицательного заряда. Они также полу­ чили, что с увеличением концентрации электролитов в растворе происходит уменьшение интенсивности электризации, причем тип ионов играет сравнительно малую роль, существенна только их концентрация. К таким лее быстрым процессам разделения зарядов Ирибарне и Мейсон [346] относят процессы электризации при раз­ рушении пузырей на поверхности морской воды.

3.1.8. Электризация при спонтанном разрушении капель при падении

В связи с существованием разных типов спонтанного разруше­ ния 1 капель — гантеле- и грибообразного — необходимо определить электризацию капель разных размеров при разной степени их раз­ рушения. К сожалению, несмотря на сравнительно большое число опытов по электризации при разрушении капель воды, имеется очень мало сведений о зависимости электризации от размеров ка­ пель и интенсивности их разрушения.

Первые исследования электризации при разрушении капель воды в вертикальной воздушной струе были выполнены Симпсо­ ном [518]. При разрушении нескольких тысяч капель дистиллиро­ ванной воды диаметром 7,7 мм в вертикальной струе в среднем был получен заряд 1,8-ІО-12 Кл на каплю. Гохшвендер (см. в [394]), повторяя опыты Симпсона с каплями диаметром 4,78 мм, получил средний заряд, равный 0,8 *10~12 Кл. Но эти значения среднего за­ ряда зависят от соотношения числа случаев гантеле- и грибообраз­ ного разрушения капель, так как уже Ленард [394] указал, что при интенсивном грибообразном разрушении капель образуются боль­ шие заряды, а при спокойном разрушении на несколько крупных частей заряды получаются небольшими. Это было подтверждено в опытах В. М! Мучника [124], Ирибарне и Клеменса [345].

Пропуская воздушную струю, в которой происходило разруше­ ние капель, через счетчик легких ионов, Симпсон [518] получил, что, кроме крупных фрагментов, при разрушении капель образуются также легкие ионы. В среднем при разрушении одной капли заряд отрицательных легких ионов равен —1,1 • ІО-12 Кл, а положительных 0,4* 10-12 Кл. Суммарный заряд легких ионов оказался отрицатель­ ным и равным —0,7 • ІО-12 Кл на разрушенную каплю, т. е. он более чем в 2 раза меньше, чем заряд крупных фрагментов капли. Это

1 Самопроизвольное разрушение крупных капель при свободном падении в воздухе.

208

несоответствие объясняется, по-видимому, тем, что счетчик не улав­ ливал тяжелые ионы, которые образуются в большом количестве при разрушении капель (см. табл. 43).

Нолан [460] изучал электризацию капель диаметром около 5 мм при их разрушении в горизонтальной струе воздуха. Скорость гори­ зонтальной струи, которая требуется для разрушения капель, больше, чем скорость вертикальной струи. Нолан получил, что средний заряд капель имеет положительный знак и равен 1,ЗХ ХІО-11 Кл. Увеличение скорости струи приводило к более интенсив­ ному разрушению капель на мелкие фрагменты и соответствен­ ному увеличению степени электризации. При уменьшении разме­ ров фрагментов капель примерно вдвое наблюдалось такое же уве­ личение заряда. Нолан также обнаружил наличие в воздухе отри­ цательных ионов. Данные Нолана были подтверждены Зелени [592], который исследовал электризацию при разрушении капель в гори­ зонтальной струе со скоростью около 20 м/с. Средний заряд на одну каплю оказался равным 6,7 • 10~12 Кл.

Согласно Чепмену (см. [428]), при разрушении капель диамет­ ром 4 мм в вертикальной струе воздуха со скоростью 17,3 м/с по­ лучались весьма большие заряды: 10“ 10 Кл. Но при уменьшении скорости струи до 8 м/с пришлось размеры капель увеличить до таких значений, какие были использованы Симпсоном [518], а за­ ряды оказались того же порядка, что и у Симпсона.

В. М. Мучник [124] наблюдал при разрушении капель в верти­ кальной струе как легкие, так и тяжелые ионы (см. табл. 43). На основании этих данных можно считать, что число случаев интен­ сивного разрушения капель было примерно того же порядка, что и число случаев со слабым разрушением. Возможно, что именно этим обусловливаются большие суммарные заряды тяжелых ионов, получающиеся при разрушении одной капли: —3,3- ІО-11+ 2- 10_п = = —1,3-10-11 Кл, т. е. они на порядок больше, чем у Симпсона [518].

Ирибарне и Клеменс [345] провели опыты с весьма чистой водой с электропроводностью (І-ьЗ)-Ю-5 См/м. Они пришли к вы­ воду, что примерно в 40% случаев наблюдалось слабое разруше­ ние. Крупные фрагменты всегда заряжались положительно. Сред­ ний заряд при интенсивном грибообразном разрушении одной капли оказался равным 3.5 • 10~12 Кл. т. е. он имел тот же порядок величины, что и в опытах Мучника. Электризация растворов СО2, NaCl, KCl и (NH4)2S 0 4 примерно одинаково зависела от концен­ трации. Для очень слабых концентраций средний заряд был близким к его значению для чистой воды. С увеличением концентрации заряд уменьшалсяДгГ для 10-4 N наблюдалось изменение знака электризации, затем происходило увеличение отрицательного за­ ряда примерно,до—4ОД2/Кл_на_каплю. Как видно из рис. 57, сход­ ство зависимости электризаций от концецхцации для разных элек­ тролитов обусловливается в основнодцависимостью электризации от электропроводности растворов. Авторы получили, что поверх­ ностно-активные вещества весьма сильно влияют на электризацию при разрушении капель, в частности, меняют ее знакама обратный.

Ирибарне и Клеменс пытаются объяснить электризацию при грибообразном разрушении капель существованием двух конку­ рирующих процессов заряжения. Первый из них определяется сдвигом двойного электрического слоя при образовании тонкой пленки и зависит от ее толщины А, а именно: ^шах^КЗ• 10_6Д. В чистой воде знак заряда крупных фрагментов должен быть по­ ложительным. Если принять, что Д^Ю мкм (Шевчук и Ирибарне [515]), то <7т а х ^ 1,3- ІО-11 Кл. При больших концентрациях электро-

ff, ю - ,2Кл д

литов этот заряд не_образуется из-за токов утечки. Тогда работает в основном второй механизм" заряжения при отрывании капедек от нитей [346, 351]. Если при разрушении пленки образуется 1Ö2 капе­ лек и заряд каждой составляет примерно ІО-15 Кл, то результирую­ щий заряд будет равен ІО-12 Кл.

Если при слиянии образуется капля радиусом, превышающим критический, то вслед за слиянием наступает разрушение вновь образовавшейся капли. При временном контакте капель происходит разрыв перемычки между ними. Эти процессы сопровождаются электризацией. Отметим, что в схеме [345] не учитывается возмож­ ное влияние на электризацию капель контактной разности потен­ циалов между ними, которая может возникнуть между каплями вследствие различий в концентрациях примесей в них.

210

Из-за отсутствия непосредственных исследований электризации при разрушении крупных капель после их слияния для оценки возникающих зарядов можно воспользоваться ранее рассмотрен­ ными исследованиями баллоэлектрического эффекта при спонтан­ ном разрушении капель. Электризация при временном контакте капель, если у них концентрация примесей одинаковая, должна быть небольшой.

3.1.9. Электризация при разрушении капель, соударяющихся с твердыми телами

Исследования электризации капель воды при их разрушении в результате соударения с твердыми телами были начаты в связи

сэлектрическими явлениями, обнаруженными вблизи водопадов. Число этих исследований, выполненных в основном в первой четверти XX столетия, весьма велико. Нас интересуют те из них, которые могут помочь внести некоторую ясность в малоизученный вопрос об электризации при соударении капель с градинами. Вместе с тем электризация при соударении капель с твердыми и жидкими поверхностями представляет определенный самостоятель­ ный интерес.

На интенсивность электризации оказывает влияние, в частности, относительная скорость соударения капель с градинами, которая при установившейся скорости падения будет однозначно зависеть от их размеров. Можно считать, что диаметры градин в облаках находятся в основном в пределах 10—30 мм. Это следует из дан­ ных измерений размеров градин у поверхности земли (например, М. Т. Абшаев [1], О. И. Чеповская [197]) и расчетов таяния градин

свысотой (В. М. Мучник и А. X. Шмуклер [144], Н. С. Шишкин [201], Мейсон [429] и др.). Скорость падения таких градин на высо­ тах 3—5 км, т. е. на высотах, где встречаются жидкие капли, лежит в пределах 15—25 м/с, тогда как для капель диаметром 1—б мм она находится в пределах 4—10 м/с. Поэтому относительная

скорость соударения градин и капель изменяется в пределах

5—20 м/с.

Интенсивность электризации также зависит от размеров капель, так как при одной и той же скорости соударения степень разруше­ ния капель зависит от их размеров. Более крупные капли, с одной стороны, легче разрушаются и, следовательно, их фрагменты имеют большие размеры, с другой стороны, они могут дать большее число фрагментов, чем капли меньших размеров.

Еще Ленард [391] установил, что при падении капель диаметром 4,4 мм на воду или смоченную поверхность цинковой пластинки существует зависимость степени электризации от скорости капель в момент соударения. Для скоростей падения 4,2; 5,8 и 6,8 м/с он получил электризацию в относительных единицах 0,23; 0,60 и 0,79 соответственно. Кроме того, им установлена зависимость электриза­ ции от размеров капель при постоянной скорости соударения около

6 м/с. Для капель диаметром 2,36; 3,26; 4,40 и 5,38 мм электриза­ ция в относительных единицах оказалась равной 0,056; 0,30; 0,53 и 0,57 соответственно. И в данном случае наблюдалось увеличениеэлектризации с увеличением размеров капель, однако со стремле­ нием к насыщению.

В. М. Мучник [130, 131] исследовал зависимость электризации при разрушении капель воды при соударении с металлическими шарами (имитация градин) от относительной скорости соударения и размеров капель. Направление вращения шаров на коромысле можно было изменять таким образом, чтобы движение шаров и капель было встречным или догоняющим. При встречном движении

пель был неизменным, следует допустить, что с увеличением относи­ тельной скорости соударения шаров и капель происходило увеличе­ ние степени их разрушения. В этих опытах при использовании воды из городского водопровода взамен дистиллированной степень элек­ тризации изменялась. Обнаружилось, что степень электризации зависит также и от состояния поверхности латунных шаров. Это указывает на то, что, кроме элекризации за счет разрушения капель, существенную роль играет контактная электризация.

Шевчук и Ирибарне [515] повторили опыты Мучника при встреч­ ном соударении шаров диаметром 1 см и капель со скоростями соударения от 0,5 до 35 м/с. Знак и величина зарядов зависели от вещества шаров. Для большинства опытов была получена почти линейная зависимость степени электризации от скорости соударе­ ния.

При падении градин ниже уровня изотермы 0°С происходит со­ ударение смоченной ледяной поверхности с жидкими каплями. Мучник [130] пытался моделировать такие градины с помощью ледя­ ных шаров при положительной температуре (5—11°С), что обусло­ вливало их таяние и появление пленки воды на поверхности. К сожалению, таяние при быстром вращении градин на коромысле

212

происходило столь быстро, что вскоре с шаров начинали срываться капли, а это значительно усложняло условия опытов. В результате было выполнено всего два удачных опыта при встречном соударе­ нии с относительной скоростью около 10 м/с. Диаметр капель был 4,4 мм. В одном из этих опытов заряд шара оказался меньше 3- ІО-12 Кл, так что его не удалось измерить; во втором опыте за­ ряд оказался равным 13- ІО-12 І\л. Таким образом, можно полагать,, что при соударении капель воды с градинами, покрытыми пленкой воды, также наблюдается баллоэлектрический эффект, причем до­ вольно значительный, во всяком случае, того же порядка, что и при спонтанном разрушении крупных капель.

Применяя ту же установку с вращающимися латунными шарами, Мучник [130] исследовал зависимость электризации от размеров капель при соударении с шарами. Опыты были проведены с каплями дистиллированной воды при относительной скорости со­ ударения около 10 м/с (табл. 44).

Т а б л и ц а 44

Зависимость электризации при соударении шаров и капель от размеров капель.

По В. М. Мучнику [130]

Из табл. 44 следует, что заряды, образующиеся при соударении капель воды с латунными шарами, сначала растут с увеличением радиуса капель, достигают максимума при некотором значении радиуса (2,2—2,5 мм), а затем начинают убывать. Это означает, что с увеличением радиуса при неизменной скорости соударения степень разрушения капель, а следовательно, и степень электриза­ ции растут, однако до некоторого критического значения радиуса. Капли, радиус которых больше критического, более неустойчивы, и для их разрушения требуется меньшее усилие. Поэтому такие капли разрушаются на меньшее число более крупных фрагментов. Если рассчитать заряд на единицу массы воды, то максимальные значения придутся на капли еще меньших размеров — радиусом

1,6 мм.

Несколько иная зависимость степени электризации от размеров капель была получена Шевчуком и Ирибарне [515]. При встречном

213

соударении шара с каплями радиусом от 1 до 3 мм наблюдалась линейная связь между величиной зарядов и размерами капель (скорость соударения 19 м/с; шар металлический, покрыт полисти­ ролом; капли из раствора NaCl 10_3 N). Авторы отмечают, что

•средние значения зарядов получены из сравнительно небольшого числа данных (около 30 отсчетов) при весьма большом разбросе отдельных отсчетов.

Необходимость рассмотрения электризации при соударении капель дождя с твердой подстилающей поверхностью и водной поверхностью рек и морей основывается на том, что заряды, кото­ рые при этом образуются, могут как-то влиять на условия образо­ вания и развития грозового электричества, а также на результаты атмосферно-электрических измерений у поверхности земли. Так, ливневый дождь, которым сопровождаются грозы, является крупно­ капельным, и поэтому соударение капель ливневого дождя с по­ верхностью почвы или воды должно приводить к образованию не­ которого заряда.

При соударении с горизонтальной плоской твердой поверхностью не вся масса капли отражается от нее: часть капли, захваченная силами сцепления, остается на поверхности. Поэтому часть капли, которая отражается в виде капелек, отрывается не от твердой по­ верхности, а от самой жидкости. Следовательно, электризация должна характеризоваться не только контактной разностью потен­ циалов между твердым телом и жидкостью, но и баллоэлектриче­ ским эффектом, имеющим место при разрушении капель. Величина заряда при разрушении капель дистиллированной воды диаметром 4,4 мм, соударяющихся со смоченной поверхностью цинковой пла­

лучен и в других исследованиях.

По-видимому, соотношение между электризацией за счет кон­ тактной разности потенциалов и электризацией за счет баллоэлек­ трического эффекта в значительной степени зависит от толщины слоя жидкости на поверхности твердого тела. Когда толщина слоя воды становится больше диаметра капель, процесс взаимодействия капель со слоем воды становится своеобразным. Механизмом такого взаимодействия и электризацией, наблюдаемой при этом, занимались Чалмерс и Паскуилл (см. в [98]), Ирибарне и Мей­ сон [346].

Джонас и Мейсон [351] обнаружили, что при падении на поверх­ ность воды капель радиусом 180 мкм под углом 50° к горизонту -со скоростью 140 см/с образуются вторичные капли радиусом 65 мкм (рис. 59). Капля на поверхности воды сначала сплющивается, про­ гибая воду под собой, а затем начинает осциллировать. Одно­ временно происходит выжимание воздушной пленки между каплей и поверхностью воды и частичное их слияние. Большая часть капли переливается через перемычку в слой воды, а меньшая часть при ■очередном колебании получает толчок вверх и в виде капли взле­ тает на высоту в несколько сантиметров. Исследование химического

214

состава вторичных капель показало, что они почти полностью со­ стоят из жидкости первичных капель. Таким образом, при соударе­ нии капель как с горизонтальной поверхностью твердого тела, так и с поверхностью жидкости основным процессом, влияющим на электризацию капель, является контактная разность потенциалов жидкость—жидкость, а не жидкость — твердое тело. Величина за-

NaCl первичных капель и слоя величиньГзарядов вторичных капель уменьшаются. При концентрации раствора ІО-4 N происходит пере-

рядка ІО-17 Кл.

Эти результаты находят подтверждение в опытах Чалмерса и Паскуилла (см. в [98]). При выливании струи морской воды в мор­ скую воду образовывались вторичные капли, которые поднимались над поверхностью на высоту до 2 см и имели положительные за­ ряды. Бланшар [237] сбрасывал капли на поверхность морской воды. Он обнаружил, что вторичные капли радиусом 3 мкм могут получать заряд около 10~16 Кл. Таких капель вырывается несколько одна за другой. Таким образом, при падении дождевых капель на поверхность пресных водоемов или на поверхность воды, образован­ ной дождем, следует ожидать появления положительных зарядов п оря дк а ІО 16 Кл.ня каплю, а при их падении на поверхность воды морей 'йГ” океанов — отрицательных__зарядов_примерно того же порядка.

215

3.1.10. Электризация при разрушении воздушных пузырьков на поверхности воды и при таянии льда

При выходе воздушных пузырьков на поверхность жидкости происходит разрушение пленки, которое сопровождается электриза­ цией. Кроме того, в кратер на поверхности, образующийся в момент разрушения пузырька, быстро затекает окружающая жидкость, что приводит к фонтанированию струйки, распадающейся на несколько капелек. Этот процесс также сопровождается электризацией. Однако экспериментальные исследования показали, что электриза­ ция имеет место только в случае.подярных жидкостей и зависит от их диэлектрической проницаемости. Согласно Коэну и Мозеру [270], при использовании воды с 8=7,2 • 10-10 Ф/м обнаруживается на порядок более высокая электризация при разрушении воздушных

(е = 4,4-10-11 Ф/м) и бензол (е = 2-10-11 Ф/м), электризация оказы­ вается совсем слабой. При разрушении нитей из неполярной жидкости (бензол и четыреххлористый углерод) на капельках, как показали Джонас и Мейсон [351], заряды не обнаруживаются. Как механизм разрушения воздушных пузырьков на поверхности воды, так и явления электризации при этом были довольно обстоятельно исследованы (Вудкок и др. [576]Г Ьланшар 1237] и др.) в_связи с вопросом об образовании гигантских ядер конденсации_н проблемой электрического состояния "атмосферы?-

Можно представить по крайней мере два процесса в кучево­ дождевых облаках, при которых происходит выделение воздушных пузырьков из гидрометеоров. При подъеме крупных капель вверх и их переохлаждении и замерзании выше уровня изотермы 0иС происходит выделение воздуха в виде пузырьков. Дннджер и Ганн [281] наблюдали выделение микроскопических пузырьков при за­ мерзании воды, в которой был растворен воздух. Это явление про­ исходит настолько бурно, что создается впечатление «вскипания» воды, которая выливается через трещины в ледяной оболочке на ее поверхность (В. М. Мучник и Ю. С. Рудько [139]). Второй процесс, при котором происходит выделение пузырьков из гидрометеоров, имеет место при падении града и снежинок ниже уровня изотермы 0° С, когда освобождается воздух, содержащийся во льду.

Степень электризации замерзающих переохлажденных капель при вырывании пузырьков воздуха из их поверхности специально не исследовалась. Однако на основании экспериментов Мучника и Рудько можно считать, что заряды, образующиеся на замерзающей капле радиусом около 1 мм, малы и не первышают 10“ 13 Кл на каплю.

Динджер и Ганн [281] исследовали электризацию при таянии льда, изготовленного из свежей бидистиллированной воды. При вырывании пузырьков воздуха лед получал положительный заряд, а воздух — отрицательный. Максимальный заряд составлял 4,ІХ ХЮ' 7 Кл/кг. Это довольно большой заряд по сравнению с зарядом

216