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

около 1,6-ІО-8 Кл/кг, полученным при спонтанном разрушении крупных капель воды. Электризация зависела от pH и с к о р о с т и таяння льда: с уменьшение’дГсІШрости ишГбыстро уменьшалась. Для равновесного, значения pH^6,2 (дистиллированная вода) заряд имел наибольшее значение и быстро уменьшался с увеличением и уменьшением pH от 6,2. Для pH, большего 10 и меньшего 2,5, агуэяд уменьшался практически до нуля. Авторы [281] также-обнаружили быстрое уменьшение заряда с увеличением электропроводности воды. Большое влияние на величину зарядов оказывали даже не­ большие примеси С 02. Динджер [279] обнаружил, что вообще любое загрязнение примесями сильно влияет на результаты экспериментов.

Опыты Динджера и Ганна были повторены Метьюсом и Мейсо­ ном [435]. Они получили, что независимо от способа изготовления снега и его чистоты при таянии электризация практически не на­ блюдалась. Во всяком случае, она меньше 3- ІО-8 Кл/кг. Это пора­ зительное несоответствие в какой-то степени можно объяснить тем„ что в установках Метьюса и Мейсона скорость таяния была не­ большой. Кроме того, как признали авторы [435], в их опытах было­ возможно загрязнение льда примесями С 02.

Магоно и Кикучи [413] исследовали электризацию при таянии ледяных частиц, растущих в результате сублимации. Измерения зарядов как растаявших, так и не подвергавшихся нагреванию и таянию частиц дали следующие результаты. Частицы инея в 41% случаев имели отрицательные заряды, в 25% — положительные, а в 34% случаев заряды не были обнаружены. Растаявшие частицы инея имели соответствующие заряды в 14, 41 и 45% случаев, так что число отрицательно заряженных капелек значительно уменьши­ лось, а число положительных увеличилось по сравнению с соответ­ ствующими данными для ледяных частиц. Магоно и Кикучи выпол­ нили также опыты с изменением зарядов при таянии естественных снежинок. Они обнаружили, что в результате таяния снежинок повторяемость случаев с положительными зарядами возрастает. Но результаты этих опытов вызывают сомнение, так как авторы не исключили возможное влияние изменения градиента темпера­ туры в приборе на электризацию.

В дальнейшем Кикучи [359] предпринял попытку исследовать зависимость электризации при таянии от типа естественных ледя­ ных частиц и от содержания в них пузырьков воздуха. Он выяснил, что все ледяные частицы при таянии преимущественно приобре­ тают положительные заряды. При этом электризация наиболее сильно выражена у дендритов и ледяных кристаллов неправильной формы и менее сильно — у игл. При таянии естественных ледяных частиц обнаруживались пузырьки воздуха. Электризация кусочков льда, полученных искусственным путем, показала, что заряд, обра­ зующийся при их таянии, приближенно пропорционален общему объему воздуха, заключенного в пузырьках. Кикучи обращает внимание на то, что его данные получены при больших скоростях таяния ледяных частиц. Кикучи [360] установил, что отношение числа капелек с положительными зарядами, образующихся при

217

взрывании воздушных пузырьков, к числу капелек с отрицатель­ ными зарядами уменьшается с увеличением электропроводности воды. В частности, для грозовых дождей это отношение меньше единицы, т. е. градины и образовавшиеся из них крупные капли должны заряжаться положительно.

В опытах Мак-Криди и Праудфіпа [406] были созданы условия, имитирующие таяние градин при падении. Они изготовляли из дистиллированной воды ледяные сферы диаметром 16 мм, которые помещали в аэродинамическую трубу со скоростью потока около 8 м/с. В процессе таяния с градины срывались капли. При таянии ІО3 мм3 льда образовывался положительный заряд около 3 • 10-11 Кл. Скорость образования заряда в начале таяния была сравнительно небольшой и достигала максимума в конце таяния. Авторы [406] обнаружили, что существует хорошо выраженная зависимость величины заряда от скорости воздушного потока. При скорости по­ тока около нуля заряд, образующийся при таянии градин, собирае­ мых на почве, был пренебрежимо мал и быстро увеличивался для скоростей от 3 до 10 м/с. Градины размерами от горошины до вино­ градины получали положительные заряды (1 н-2) ■10_п Кл. При росте размеров заряд увеличивался, однако с большими колеба­ ниями. Максимальный заряд оказался равным около ІО-7 Кл/кг. При таянии прозрачных градин (с малым числом воздушных пузырьков) обнаруживались ничтожно малые заряды.

Динджер [280] обратил особое внимание на чистоту льда. В его установке кусок льда обдувался потоком воздуха со скоростью около 0,5 м/с. При изготовлении льда из трижды дистиллирован­ ной свежей воды он получал очень большие заряды: 2,2- ІО-6 Кл/кг. При таянии свежевыпавшего снега плотность заряда значительно меньше: 2- ІО-8 Кл/кг. При таянии льда, приготовленного из снего­ вой и дождевой воды, были обнаружены заряды 5,6-ІО-8 и 8,9Х ХІО-8 Кл/кг соответственно. Динджер еще раз подтвердил суще­ ствование весьма большой зависимости электризации при таянии льда даже от очень малых концентраций примесей, в том числе углекислого газа. Он получил, что при концентрациях, соответ­ ствующих равновесию с содержащимся в воздухе углекислым га­ зом, электризация при таянии практически равна нулю.

Дрейк [286] исследовал зависимость электризации при таянпн ледяных сфер радиусом 1—3 мм от скорости потока воздуха, его температуры и влажности, температуры замерзания воды и т. д. Он обнаружил четкую зависимость заряда от скорости воздушного потока: при скоростях меньше 2 м/с, когда не наблюдается конвек­ ция в водяной оболочке тающего льда, заряды очень малы, но быстро вырастают до максимального значения при скоростях от 2 до 4 м/с. Максимальные значения плотности заряда для дистилли­ рованной воды или слабых растворов (с концентрациями, не превы­ шающими ІО-5 М) находятся в пределах (1,Зч-2) • ІО-6 Кл/л. Увели­ чение концентрации растворов до значений выше 10_3 М. приводит к значительному уменьшению зарядов. Депрессивное действие ССХ сказывается только при отсутствии конвекции в тающей сфере, т. е.

218

при скоростях потока меньше 2 м/с. Температура и влажность воздуха действуют в такой степени, в которой они обеспечивают увеличение скорости таяния льда и возникновение конвекции в водяных оболочках ледяных сфер.

Результаты экспериментальных исследований электризации при таянии снежинок и особенно градин показывают, что при этих про­ цессах образуются значительные заряды. Однако разные авторы приводят данные, отличающиеся друг от друга иногда на несколько, порядков. Причиной таких больших расхождений являются усло­ вия, при которых происходит таяние ледяных частиц. Одним из наиболее существенных условий является возникновение в тающей частице конвекции, приводящей к постоянному обновлению воды на поверхности, что весьма существенно для электризации при выры­ вании пузырьков воздуха.

Процесс электризации при выделении пузырьков из тающего льда может быть объяснен образованием на поверхности пѵзыръков двойного электрического слоя. Из опытов по катафорезу известно, что пузырьки, выходя на поверхность и разрушаясь, могут унести отрицательный заряд с собой. При разрушении пузырька радиусом более 0,1 мм в очень чистой воде, согласно Ирибарне и Мейсону [346], образуется заряд около 3> ІО-13 Кд. Надо предположить, что при таянии 1 г должно образоваться около ІО3 пузырьков радиусом 0,1 мм для того, чтобы удельный заряд оказался равным примедно 3 • 10~7 Кл/кг- т- е. того же порядка, что и значения, полученные Динджером и Ганном [281], а также Дрейком [286]. Большое влия­ ние на величину зарядов оказывают примеси. При концентрации в воде ІО-4—ІО-5 М С 02 образуются заряды порядка ІО-14—ІО-15 Кл на один пузырек. Такое же действие производят примеси солей,

ІО-13—ІО-14 Кл, т. е. приближаются к значениям для чистой воды. Такахаши [541] пытается дать дрѵгое~~объяснение. Вследствие различий в конценхрациях-и-додвижностях ионов ОН~ и Н* в воде и льду при таянии должно происходить их разделение таким обра­ зом, что в воде окажется избыток Н+, а во льду — избыток ОН". Из вычислений Такахаши получил, что разность потенциалов дол­ жна быть равна 0,15 В, а из экспериментов по таянию льда, взятого из ледника Менденхолл на Аляске, им была получена максималь­ ная разность потенциалов между водой и льдом, равная около 0,11 В. Для этого случая поверхностная плотность зарядов оказа­

лась равной приблизительно 1,6- 10_6 Кл/м2.

Если сопоставить такие, казалось бы, совершенно разные механизмы, как электризация при замерзании слабых растворов и при разрушении, например, пузырькоіГ на поверхности этих растворов, то обнаружится_-заметный параллелизм. Так, для ^шх характерна

фекты — это не что иное, как специфические проявления контактных

219.

механизмов электризации. Таким образом, все механизмы электри­ зации, рассмотренные в разделах 3.1.3—3.1.10, можно отнести к механизмам контактной электризации.

3.2. ИНДУКЦИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ГИДРОМЕТЕОРОВ

Как было показано ранее, в основе всех механизмов электриза­ ции лежит несколько процессов, приводящих к первичному раз­ делению зарядов; многочисленность этих механизмов обусловлена многообразием процессов контакта и разрушения гидрометеоров. Единственным исключением является электризация в поле воздуш­ ных ионов, для которой не требуется контакт или разрушение гидрометеоров.

Рассматривая индукционные механизмы электризации гидро­ метеоров, можно убедиться, что единственным источником первич­ ного разделения зарядов является внешнее электрическое поле. И в случае этих механизмов электризации все их многообразие обусловливается различиями в процессах контакта и разрушения гидрометеоров, приводящих к разделению зарядов, индуцирован­ ных внешним электрическим полем. Существует только два меха­ низма электризации гидрометеоров во внешнем электрическом поле, когда не наблюдается их. контакт между собой или разруше­ ние. Это, во-первых, механизм электризации гидрометеоров в среде воздушных ионов, обусловленный токами под действием внешнего электрического поля. И во-вторых, это совершенно своеобразный механизм электризации, который может осуществляться только в сильных электрических полях при возникновении коронного разряда

истекании зарядов с гидрометеоров.

3.2.1.Поляризация сферы и эллипсоида

вэлектрическом поле

Если при разделении поляризованных гидрометеоров заряды противоположных знаков оказываются на фрагментах или части­ цах разных размеров, происходит разделение свободных зарядов в гравитационном поле, т. е. макроразделение зарядов. Заряды поляризации оказываются свободными зарядами, если вода и лед имеют достаточно высокую электропроводность. Но электропро­ водность дождевой воды столь велика, что обеспечивает установле­ ние равновесного состояния для любых процессов, сопровождаю­ щихся временным контактом частиц. Как будет показано в соответ­ ствующем месте, такое положение выполняется практически во всех случаях и для твердых гидрометеоров.

Так как врейш разрыва контакта между гидрометеорами или их разрушения мало по сравнению с временем существенного измене­ ния электрического поля в грозовых облаках, то поле можно счи­ тать однородным и квазистационарным. Исключением является

220

момент разряда молнии, когда электрическое поле в грозовых обла­ ках изменяется чрезвычайно быстро. Но время разряда мало по ■сравнению с временем восстановления поля после разряда, и про­ цессы изменения электрического поля при разрядах не играют су­ щественной роли в образовании зарядов грозовых облаков и нами не будут рассматриваться.

Конфигурация гидрометеоров в момент разрушения или разрыва контакта может быть чрезвычайно разнообразной. Распределение зарядов на поверхности сложных тел не поддается теоретическому расчету. Поэтому такого рода задачи пытаются решить прибли­ женно, сводя тела любой конфигурации к шару и эллипсоиду, для которых эти задачи решаются строго.

Пусть в однородном электрическом поле напряженностью Е0 находится проводящая сфера радиусом г0. В этом случае уравне­ ния электростатики решаются точно и позволяют получить выраже­ ния для индуцированного дипольного момента сферы р, напряжен­ ности поля Е на поверхности, а также для заряда qn, сосредоточен­ ного на полусфере:

причем ф — угол между радиус-вектором рассматриваемой точки и направлением поля напряженностью Е0.

Если в однородном электрическом поле напряженностью Е0 на­ ходится проводящий вытянутый эллипсоид вращения с полуосями а и с (с> а), то в этом случае электростатическая задача также решается точно. Напряженность поля в произвольной точке поверх­ ности эллипсоида может быть записана в виде

соида nz= 1, напряженность поля в этих точках принимает макси­ мальное значение

(82)

Можно вычислить величину заряда, сосредоточенного на половине эллипсоида:

*е0Е °а2

В табл. 45 приведены некоторые значения pz, Етах и qn для раз­ ных /г.

Рассмотрим случай разделения зарядов при разрыве контакта двух проводящих сфер радиусом R и г, находящихся во внешнем электрическом поле напряженностью Е0. В общем виде Гордон (см. в [382]) получил выражение

где ер — угол между прямой, соединяющей центры сфер, и направ­ лением внешнего электрического поля; у — коэффициент, зависящий от соотношения радиусов сфер.

3.2.2. Электризация при контакте в электрическом поле

Возможность электризации капель при контакте в электрическом поле была впервые рассмотрена Эльстером и Гейтелем [290]. Они предположили, что при соударении большей падающей капли с меньшей последняя скользит по поверхности первой и отрывается где-то в верхней ее части (рис. 60 а). Заряд, образующийся на меньшей капле, имеет в поле нормального направления отрицатель­ ный знак. В дальнейшем Эльстер и Гейтель [291] допустили, что, кроме скольжения меньших капель по поверхности большей капли,

222

может происходить также их отражение от нижней части последней. Отражение от нижней части должно особенно хорошо проявляться для больших капель, которые при падении сплющиваются в верти­ кальном направлении (рис. 60 б). В этом случае меньшая капля в поле нормального направления приобретает положительный заряд.

Сартор [494] выполнил экспериментальное исследование соуда­ рения двух капель при их движении в вязкой жидкости в верти­ кальном электрическом поле. Он обнаружил, что при отсутствии механического контакта между каплями может иметь место элек­ трический контакт вследствие возникновения между каплями поля, напряженность которого может многократно превышать напряжен­

Рис. 60. Электризация капель при контакте в электрическом поле.

ность внешнего электрического поля и достигать пробойного значе­ ния. Задача об увеличении напряженности электрического поля между двумя проводящими сферами равных размеров, центры ко­ торых лежат на прямой, параллельной направлению однородного поля, в котором они находятся, была решена Сартором. Затем эта задача была решена Девисом [274] в общем виде.

Н. П. Тверская [177] высказала соображение, что возникновение между каплями полей с большой напряженностью приводит к ло­ кальному изменению поверхности капель в промежутке между ними. Подобные же соображения были высказаны Сартором [496]. Вследствие искажения поверхности напряженность поля в про­ межутке между каплями увеличивается, что в свою очередь при­ водит к дальнейшему искажению поверхности капель в этом проме­ жутке и т. д. Этот процесс при достаточной напряженности внеш­ него поля для данных размеров капель и длины промежутка между ними может привести к неустойчивому состоянию, возникновению разряда и соединительной перемычки между каплями. Эти сообра­ жения были подтверждены экспериментально Сартором и Абботом [498], Азадом и Леземом [218], В. А. Дячуком, В. М. Мучником, Б. Е. Фишманом [47] и др. При сближении капель с противополож­ ными зарядами происходит перенос зарядов искровым разрядом

223

(Миллер и др. [444]). При этом обнаружилось, что в промежутке между каплями их поверхность искривляется, увеличивая возмож­ ность разряда между ними. Процесс разряда сопровождается электромагнитным излучением, которое было экспериментально обнаружено и исследовано в световом и радиоволновом участках спектра Сартором [497], Миллером и др. [444], Аткинсоном и Палуч [214]. Эти процессы существенны не только вследствие их бли­ зости к процессам, происходящим с каплями в электрическом поле, но и вследствие их влияния на образование зарядов в грозовых об­ лаках. Их роль может сказаться в уменьшении скорости образования заряженных областей, так как при этих процессах происходит нейтрализация зарядов противоположных знаков.

Сартор и Аббот [498] изучали возникновение разряда между каплями дистиллированной воды равных размеров (радиус капель от 370 до 816 мкм) в сильном горизонтальном электрическом поле. Они установили, что минимальная напряженность электрического поля, при которой происходит искровой разряд между каплями, хорошо выражается формулой

где у — коэффициент усиления поля между сферами, табулирован­ ный Девисом (см. табл. 48); s = 75,5/p (р — атмосферное давление в Н/м2).

Сартор и Аббот произвели экспериментальную проверку вели­ чины разделяющихся зарядов для капель, вступающих в электриче­ ский контакт или соприкасающихся друг с другом, при условии, что линия, проходящая через их центры, параллельна направлению электрического поля. Этот заряд, согласно Сартору [497а], дается выражением

что находится в согласии с данными табл. 46.

Как следует из табл. 47, для полей с напряженностью, значи­ тельно меньшей минимальной напряженности, которая требуется для возникновения разряда, экспериментально наблюдаемые заряды меньше или близки к вычисленным на основании (87). Для боль­ ших напряженностей поля, приближающихся к разрядным, харак­ терен быстрый рост экспериментальных значений по сравнению с вычисленными, что может обусловливаться влиянием сильного поля на конфигурацию капель в момент их отрыва друг от друга. При вытягивании пары капель в направлении поля их конфигура­ ции приближаются к вытянутым эллипсоидам, что должно привести к увеличению зарядов на разделяющихся каплях.

Монтгомери и Доусон [446] исследовали электризацию при кон­ такте капель радиусом 1 мм в электрическом поле напряженностью от ІО3 до 1,2-ІО4 В/м. Относительная скорость соударения капель составляла около 0,5 м/с. Эти авторы обнаружили, что существует зависимость величины разделяемых зарядов и числа сателлитных

224

Т а б л и ц а 47

Сравнение вычисленных зарядов, разделяющихся в электрическом поле при контакте капель одинаковых размеров, с экспериментальными. По Сартору

и Абботу [498]

1 Минимальная напряженность разряда.

капелек радиусом 50—200 мкм от электрического поля. В пределах напряженности (5ч-7) • ІО3 В/м наблюдалось резкое возрастание величины зарядов и числа сателлитных капелек, которое указывает на изменение условий слияния капель. По-видимому, при больших напряженностях поля степень слияния больше и отрывание капель друг от друга происходит на большем расстоянии от экватора, чем при малых значениях напряженности поля. Капля, падающая быстрее, скользит вдоль поверхности капли, падающей с меньшей скоростью, и отрывается от ее нижней части. Действительно, знак заряда более быстро падающей капли всегда совпадал со знаком поля.

Вопрос об электризации при соударении ледяных частиц рас­ сматривал Мюллер-Гиллебрандт [452]. Он указал на то, что воз­ можность электризации при контакте в электрическом поле обусло­ вливается электропроводностью льда, которая зависит от темпера­ туры и частоты колебаний электрического поля. Полное разделение зарядов при контакте будет осуществляться в том случае, если время релаксации меньше времени контакта. Мюллер-Гиллебрандт предположил, что продолжительность контакта достаточно дли­ тельна для передачи заряда вследствие того, что при соударении ледяной крупы с ледяными кристаллами последние скользят по ее поверхности, и, кроме того, что этот процесс характеризуется высокочастотным изменением электрического поля. Эти требования

не всегда выполняются. При соударении сферических ледяных ча­ стиц существует возможность их отскакивания без скольжения, например, при лобовых и близких к ним соударениях. МюллерГиллебрандт не рассматривал природу высокочастотных колебании электрического поля. Изменение же поля при сближении частиц вряд ли можно отнести к высокочастотным. Поэтому существует необходимость убедиться в том, что время релаксации всегда меньше времени контакта при соударении ледяных частиц, наблю­ даемых в грозовых облаках.

Рассмотрим, согласно [46], время контакта между двумя ледя­ ными ■сферами, которое определяется упругими свойствами льда. Этот вид контакта можно назвать механическим в отличие от элек­ трического контакта, обусловленного зарядом и электрическим полем, который может иметь место без соприкосновения тел. Время механического контакта для двух упругих сфер с радиусом г и R можно определить из формулы [97]

(88)

где (.1= mrmR/(mr+m R) — приведенная масса сфер; u = ur + uR — их относительная скорость соударения;

Для определения установившейся скорости падения ледяных сфер в воздухе можно использовать формулу (36). Пусть градина с R = = ІО-2 м соударяется с ледяной крупой радиусом г= 10-3 м на вы­

сфер в электрическом поле (для простоты предположим, что они не имеют собственных зарядов) на основании формулы (51). Поскольку тто оказалось порядка ІО-5 с, то следует для Ѳ= —10° С принять 8 = 2,7-ІО-11 Ф/м и %=1,6-10“5 Ом-1 ■м_| [529]. Подставив эти данные в (51), получаем, что тг/= 1,7■ 10-6 с.1 Следовательно,

1 Автор предполагает, что объемные характеристики определяют время ре­ лаксации заряда; в действительности время релаксации определяется свойст­ вами поверхности раздела двух тел. Сравните, например, заряжение эбонита при кратковременном контакте с янтарем; оно велико, хотя объемные характе­ ристики обоих материалов дают время релаксации больше ІО5 с. — П р и м . р е д .

226