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

8. Вертикальная мощность облаков, как правило, превышает 5 км и может достигать 15—18 км. В облаке обязательно наличие крупы или града.

Начнем обозрение теорий грозового электричества со схемы Эльстера и Гейтеля, не потерявшей интереса до сих пор, особенно в связи с попытками Сартора возродить эту теорию на основании современных сведений о процессах в кучево-дождевых облаках.

4.1. СХЕМА ЭЛЬСТЕРА И ГЕЙТЕЛЯ

Эльстер и Гейтель [290] обратили внимание на то, что капли обла­ ков и осадков поляризуются под действием электрического поля атмосферы. Они предположили, что при соударении дождевой капли с облачной капелькой последняя скользит по поверхности первой и отрывается в ее верхней части. В нормальном электриче­

дождевых капель происходит разделение зарядов, и облако стано­ вится биполярным: верхняя часть заряжена отрицательно, ниж­ няя — положительно. Осадки должны иметь преимущественно по­ ложительные заряды. Эльстер и Гейтель не делали различий между механизмами электризации в облаках слоистых форм и в грозовых облаках. Надо отметить, что схема разделения зарядов Эльстера и Гейтеля должна приводить не к усилению поля, а к его ослаб­ лению.

В дальнейшем Эльстер и Гейтель [291] пытались усовершенство­ вать свою теорию. Они учли, что крупные капли при падении сплющиваются, и предположили, что при соударении с облачными капельками последние будут от них отражаться. Кроме того, Эль­ стер и Гейтель распространили область электризации на ледяные

В результате в нормальном электрическом поле верхняя часть об­ лака должна получить положительный заряд, а нижняя и осадки — отрицательный.

Теория грозы Эльстера и Гейтеля подвергалась многократной критике в первую очередь из-за несоответствия между знаком за­ рядов осадков и направлением поля. Согласно этим авторам, между знаками зарядов дождя и электрического поля должна существо­ вать следующая связь: знак зарядов дождя должен быть таким же, как и знак поля у поверхности земли. Наблюдения показали, что часто обнаруживается как раз обратная связь между знаками зарядов осадков и электрического поля, так называемый зеркаль­ ный эффект. Однако основное возражение против их теории заклю­ чается в том, что при соударении капли с облачными капельками будет происходить их коагуляция, а не кратковременный контакт. Из экспериментов Готта [314] следует, что при падении крупной

капли через среду облачных капелек в электрическом поле заря­ жение ее вследствие индукции не происходит.

Сартор, учитывая критику теории Эльстера и Гейтеля, обратил особое внимание на то, что вероятность слияния капель при со­ ударении не равна единице и что возможно разделение зарядов без прикосновения частиц друг к другу. Механизм разделения за­

где щ и iij —• концентрация капель соответственно в г-том и /-том интервалах размеров, причем /> /; /у- и /у — радиусы меньших н больших капель соответственно; гу и ty — конечные скорости паде­ ния капель; е ц — коэффициент эффективности разделения частиц, т. е. доля капель, приобретающих в процессе контакта заряд, кото­ рый, согласно (84), равен 4леоуг2.і: при условии, что линия, соеди­

няющая центры капель, совпадает с направлением поля. Так как значение у не очень сильно зависит от соотношения размеров і'-той

частиц, для которых использовались распределения по размерам, наблюдаемые в активных грозах. При этом для капель было выб­

ции при соударении сравнительно невелика. Результаты вычисле­ ний показали, что в грозовых дождях за счет контактов капель скорость заряжения единичного объема составляет 3 - 10-10 І\л/м3Х Хс), т. е. имеет тот же порядок, что и скорость заряжения, кото­ рая требуется для грозового облака. Еще большая (на один-два порядка) скорость заряжения получается в случае контакта ле­ дяных частиц. Скорость заряжения настолько велика, что, даже если проводимость в облаках ІО-12 См/м, начальное поле может увеличиться на два порядка.

На основании этих расчетов Сартор приходит к выводу, что процессы индукционного заряжения гидрометеоров при контакте играют в грозовых облаках не меньшую, а иногда и большую роль, чем любые другие возможные механизмы электризации в них. Не­ обходимо отметить, что значительно раньше Сартора Мюллер-Гил- лебрандт [452], исходя из расчетов разделения зарядов при кон­ такте ледяной крупы и кристаллов в электрическом поле, пришел к выводу, что такие процессы могут обусловливать образование грозы.

Мейсон [116], однако, считает, что процессы электризации за счет контакта в электрическом поле не могут быть источником значительных зарядов. На основании своих опытов он пришел

258

к выводу, что при полях напряженностью больше ІО3 В/м капли обязательно коагулируют и механизм Эльстера—Гентеля—Сартора перестанет работать в грозовых облаках задолго до достижения критической напряженности поля. Шансы вступить в кратковре­ менный контакт имеют только те капельки, которые приходят в ка­ сательное соударение, а не в лобовое или близкое к нему. Но при касательном соударении наиболее вероятно скольжение капельки с последующим отрыванием в районе электрического экватора капли, причем в верхней ее части. В вертикальном электрическом поле нормального направления, например, заряды капель будут положительными и могут привести только к ослаблению поля, и, кроме того, заряды на каплях при их разделении в районе элек­ трического экватора, где поле, индуцированное на самой капле, мало, вообще должны быть небольшими. Такое представление в какой-то степени подтверждается результатами опытов Мантгомери и Доусона [446] с крупными каплями почти одинаковых раз­ меров. Они получили, что при разрыве контакта капли всегда полу­ чают заряды, которые могут привести только к ослаблению поля.

Как указывает Сартор [164], значительно большая скорость индукционной электризации единичного объема с ледяными части­ цами (примерно на два порядка) по сравнению с каплями обус­ ловливается большими размерами ледяных частиц и значительно большим коэффициентом эффективности разделения частиц: 0,9. Но уже Лезем и Мейсон [380] показали, что при соударении проб­ ного ледяного тела с ледяными кристаллами в электрическом поле напряженностью ІО5 В/м происходит изменение электризации всего на 10% по сравнению с электризацией без электрического поля. Как было показано в разделе 3.2.2, причиной этого являются осо­ бенности движения ледяных кристаллов по отношению к пробному телу в электрическом поле (а не малое время контакта, как пола­ гают Лезем и Мейсон [382]). Поэтому результаты эксперименталь­ ных исследований электризации [380, 382] правильно оценивают интенсивность электризации при соударении крупной ледяной частицы, допустим сферы (градина, крупа), с ледяными кристал­ лами в электрическом поле: интенсивность электризации невелика.

Теперь необходимо рассмотреть электризацию при соударении сравнительно крупных ледяных частиц в электрическом поле. Как показали В. А. Дячук и В. М. Мучник [46], электризация таких частиц происходит в полном согласии с теорией, что на первый взгляд является аргументом в пользу представлений Сартора. При соударении ледяных частиц полное отражение от поверхности бу­ дет иметь место, по-видимому, только при лобовых или близких

кним соударениях. При тангенциальных соударениях появляется

вдополнение к отражению скольжение, в результате чего в вер­ тикальном электрическом поле такие ледяные частицы будут от­ рываться около экватора и заряды будут весьма малыми. Поэтому весьма важным является вопрос о том, при каких углах соударе­ ния появляется тангенциальная составляющая, благодаря которой меньшая частица начинает скользить вдоль поверхности большей

частицы. Такие экспериментальные данные, к сожалению, отсут­ ствуют. Некоторое представление об этом можно составить на осно­ вании экспериментов В. М. Мучника [131] по электризации при соударении металлических шаров и капель воды в вертикальном электрическом поле. Как следует из табл. 54, уже при углах около 30° при относительных скоростях соударения шаров и капель больше 4 м/с происходит изменение знака электризации вследствие скольжения капель по поверхности шара. При этом капли только смачивают поверхность градин. На критическое значение угла, при котором возникает скольжение капель вдоль поверхности шара,

углах, допустим 45°. Это приводит к тому, что вероятность лобо­ вых и скользящих соударении становится примерно одинаковой.

Необходимо еще определить, не изменяется ли при скользящих соударениях знак электризации на обратный по отношению к ло­ бовым соударениям, как это имеет место при соударении капель и шаров. Если учесть, что при падении твердой частицы в ее тыло­ вой части воздух разряжается, то малые частицы при скользящих соударениях после прохождения экватора должны засасываться в тыловую часть крупной частицы и там отрываться от нее. Таким образом, скорость заряжения единичного объема при падении ле­ дяных частиц в вертикальном электрическом поле должна быть значительно меньше, чем вычисленная Сартором.

При соударении ледяных частиц в горизонтальном электриче­ ском поле также нельзя ожидать макроразделения электрических зарядов, хотя микроразделение будет иметь место. Можно считать, что вероятность соударения положительной и отрицательной полу­ сфер падающей ледяной сферы с мелкими частицами одинаковая. Поэтому при большом числе соударений заряд сферы равен нулю, а число положительно и отрицательно заряженных ледяных частиц окажется примерно одинаковым. Так что макроразделение зарядов не произойдет и облако, в горизонтальном электрическом поле ко­ торого будут происходить такие процессы, останется в целом ней­ тральным.

Из рассмотрения схемы грозы Эльстера—Гейтеля—Сартора можно сделать вывод, что описанные механизмы электризации сами по себе недостаточно эффективны для создания необходимого ко­ личества электричества, наблюдаемого в грозах. Однако при разра­ ботке теории грозового электричества необходимо учесть электри­ зацию при контакте в электрическом поле в первую очередь твер­ дых частиц.

4.2. СХЕМА СИМПСОНА

Симпсон [518] положил в основу своей схемы грозы механизм электризации при дроблении дождевых капель. Он принял, что в кучево-дождевых облаках ниже уровня изотермы 0°С существует

260

область восходящих токов со скоростями 8 м/с и больше. При па­ дении капли растут, причем их конечная скорость падения также растет, однако только до 8 м/с. Поэтому в облаках на уровне ско­ ростей восходящих токов 8 м/с образуется задерживающий слой, ниже которого капли падать не могут (рис. 67). Так как капли размером 5,5 мм являются неустойчивыми, в области задерживаю­ щего слоя они будут разрушаться. Крупные фрагменты получают положительные заряды, а мельчайшая водяная пыль — отрицатель­ ные. Последняя уносится восходящими токами вверх, адсорбируется на облачных капельках и создает отрицательно заряженную об-

Н км

Рис. 67. Схема грозы Симпсона.

/ — область восходящих токов со скоростью 8 м/с, 2 — нижняя положительно заряженная область, 3 — основная отрицательно заряженная область, 4 — положительно заряженный дождь, 5 — отрицательно заряженный дождь.

ласть. Крупные, положительно заряженные фрагменты капель рас­ пределяются в некотором объеме над областью восходящих токов, создавая положительно заряженную область большой плотности. На краю этой области, где скорости восходящих токов уменьша­ ются, должен наблюдаться крупнокапельный, положительно заря­ женный дождь, а из тыловой части облака — мелкокапельный, от­ рицательно заряженный дождь. Из грозового облака с подобным распределением заряженных областей следует ожидать разрядов молний на землю преимущественно с положительной полярностью.

По мере накопления сведений о строении грозовых облаков и процессах в них обнаружился ряд несоответствий с выводами, вы­ текающими из теории Симпсона. Так, грозовой дождь всегда со­ стоит из смеси положительно и отрицательно заряженных капель, разряды молнии на землю из активной части грозового облака имеют преимущественно отрицательную полярность (И. С. Стекольников [173] и др.). Кроме того, в схеме грозового облака отсутство­ вала верхняя, положительно заряженная область, которая была

261

обнаружена в результате многочисленных наблюдений. Это побу­ дило Симпсона к пересмотру и дальнейшему усовершенствова­ нию своей теории [522, 523, 524].

Симпсон предположил, что в верхней части грозового облака при отрицательных температурах существуют ледяные кристаллы. При соударении друг с другом под воздействием интенсивной тур­ булентности, которая должна иметь место в грозовых облаках, кри­ сталлы получают отрицательные заряды, а воздух — положитель­ ный. При падении ледяных кристаллов происходит разделение зарядов, причем вверху образуется положительно заряженная об­ ласть, а внизу — отрицательно заряженная. Нижняя, положительно заряженная область образуется в результате дробления капель. Эта модифицированная схема дает согласие с наблюдаемым рас­ пределением заряженных областей в грозовых облаках. Однако ко­ личественная оценка заряда, которая может быть получена исходя из представлений Симпсона, дала отрицательный результат. Так, Мейсон [428], предполагая, что одна и та же масса воды трехкратно примет участие в дроблении капель, из которых она состоит, при­ шел к выводу, что максимальный заряд за счет схемы заряжения, рассмотренной Симпсоном, не превысит ІО-4 Кл/м3, т. е. он при­ мерно на два порядка меньше наблюдаемого. Несколько больший заряд был получен им для механизма электризации при соударении снежных кристаллов: 5 -ІО-4 Кл/м3, но эта величина также на­ много меньше требуемой для развития грозы. Таким образом, эф­ фекты электризации, рассматриваемые Симпсоном, не могут играть главную роль в образовании грозового электричества.

4.3.СХЕМА ВИЛЬСОНА

Воснову схемы грозового электричества Вильсон [572] положил избирательное заряжение падающих капель ионами под действием электрического поля. Если в положительном электрическом поле будет падать капля, то положительные ионы будут отталкиваться

от ее нижней части, а отрицательные — притягиваться. Однако

а для дождевых капель 8 м/с, при напряженностях поля, соответ­ ственно больших 2,5 • ІО2 и 4 - ІО4 В/м, избирательное заряжение капель невозможно. Чтобы обойти это затруднение, Вильсон пред­

262

положил, что избирательное заряжение дождевых капель происхо­ дит при захвате тяжелых ионов и заряженных облачных капелек, заряды которых образуются за счет легких ионов. Капли в поло­ жительном поле благодаря избирательному заряжению получат от­ рицательные заряды, которые будут переноситься вниз, а в воздухе останутся положительно заряженные капельки. В результате перво­ начальное положительное поле должно усиливаться до достижения пробойных значений, причем скорость нарастания напряженности поля должна быть большой. Полярность облака при этом также будет положительной (вверху «плюс», внизу «минус»). Таким об­ разом, теория Вильсона дает правильное распределение основных заряженных областей в грозовых облаках, но вместе с тем встре­ чает много обоснованных возражений.

Расчеты, выполненные Мейсоном [428] для среднего грозового облака со средней напряженностью поля ІО5 В/м, показали, что за время ІО3 с, согласно схеме Вильсона, может образоваться заряд 0,9-ІО-9 Кл/м3, т. е. заряд, на порядок меньший наблюдаемого. Но как указывает Мейсон, согласно Уормелю [588], максимально возможная скорость заряжения за счет ионов не может превышать интенсивность их образования в нижних слоях атмосферы, которая равна ІО7 ионов/(м3• с). Следовательно, примерно за ІО3 с облако предельно может получить заряд около 2- 10-10 Кл/м3. Однако если принять во внимание, что длительность жизни легких ионов в об­ лаках мала (они преобразуются в тяжелые ионы и оседают на об­ лачные капельки), и поэтому дождевые капли при падении заря­

в грозовых облаках приводят к усилению тока проводимости под и над облаком и что в заряжении участвуют не только капли, но и твердые частицы, не может исправить положение.

4.4. СХЕМА ФРЕНКЕЛЯ—ШИШКИНА

Я. И. Френкель [186] рассматривает облако как коллоидно-дис­ персную среду, в которой капельки благодаря большому сродству воды с отрицательными ионами заряжаются отрицательно, а воз­ дух— положительно. При падении капелек происходит разделение зарядов, и облако поляризуется положительно. Разделение зарядов прекращается при таком значении напряженности вертикального электрического поля, при котором уравновешивается сила тяжести, действующая на капельки. Таким образом,

263

какие-либо предварительные условия, то отсюда следует, что в лю­ бых облаках, из которых не выпадает дождь, напряженность поля должна быть много больше напряженности, имеющей место в дей­ ствительности. Для того чтобы согласовать свои представления с данными наблюдений, Френкель указывает на необходимость учи­ тывать проводимость воздуха. Как известно, чем больше проводи­ мость, тем меньше напряженность поля. Поэтому в слоистых обла­ ках проводимость должна быть больше, чем в грозовых, тогда как из данных наблюдений вытекает обратное соотношение. Необхо­ димо также отметить, что экспериментальные исследования адсорбции ионов не дают однозначного ответа относительно изби­ рательного заряжения капель воды в среде ионов (см. раздел 3.1.2).

Дальнейшее развитие эта теория получила в работах Я. И. Френ­ келя и Н. С. Шишкина [187], которые учли влияние коагуляции ка­ пель на рост напряженности электрического поля. Если при паде­ нии капля коагулирует с монодисперсными облачными капельками, имеющими заряды одинакового знака, то ее заряд будет увеличи­ ваться пропорционально кубу радиуса. Благодаря этому увеличится скорость разделения зарядов и образования заряженных областей. Затем Шишкин [200] произвел подобные расчеты для полидисперсного облака. Френкель и Шишкин отмечают, что для полного ре­ шения вопроса следовало бы учесть эффект перезарядки капель в электрическом поле, что, однако, выполнено не было. Оценки из­ менения заряда капель дождя при падении в электрическом поле были сделаны, например, Уипплом и Чалмерсом [567], Н. В. Крас­ ногорской [91].

Так как, по Френкелю и Шишкину, коагуляционный рост заря­ дов капель происходит в конечном итоге за счет заряжения облач­ ных капелек зарядами ионов, то в этом проявляется ограничиваю­ щее условие, указанное Уормелем [588]. Этот вопрос весьма полно рассмотрен Л. С. Мордовиной [118]. Таким образом, несмотря на то что Френкель и Шишкин значительно дальше пошли в развитии теории захвата ионов каплями по сравнению с Вильсоном, объясне­ ние образования грозового электричества не было получено, хотя несомненно, что процессы захвата ионов частицами имеют место в грозовых облаках. К такому выводу пришел Шишкин [203] на основании вычислений, в которых учитывались также новообразо­ вание и рекомбинация ионов. В поисках дополнительных источников образования ионов Шишкин [203] указал на механизм ценооб­ разования, обусловленный коронным разрядом между двумя за­ ряженными каплями. Он считает, что этот механизм должен при­ водить к значительному увеличению скорости образования ионов —

264

до ІО9—ІО11 пар ионов/(м3 • с). Вследствие этого должно наблю­ даться быстрое увеличение зарядов облачных капелек, удельный заряд облачной воды может достигнуть ( 7 1 3 ) • 10~7 Кл/кг. Коагу­ ляция таких капелек может привести к возрастанию напряженности поля до пробивных значений.

Возможность существования такого механизма ионообразования в грозовых облаках вызывает большие сомнения, кроме того, он должен был бы проявляться и в слоистых облаках, хотя и в мень­ шей степени. Следовательно, проводимость в слоистых облаках должна бы быть выше, чем в свободной атмосфере на том же уровне, а это не наблюдается. Вместе с тем можно указать на та­ кой мощный механизм ионообразования, как коронирование с кон­ цов ледяных кристаллов, которое, по-видимому, имеет место в гро­ зовых облаках. Необходимо, однако, отметить, что с увеличением проводимости, помимо увеличения скорости адсорбции ионов, за­ ряды частиц должны уменьшаться за счет токов проводимости.

4.5. СХЕМА ВАЛЛЯ

Валль [563] пытался усовершенствовать теорию грозы Вильсона, введя представления об «эффекте асимметрии» и о дипольном строе­ нии ледяных кристаллов. Сущность эффекта асимметрии заключа­ ется в следующем: каждая частица, которая движется лод дейст­ вием силы тяжести в ионной среде, в вертикальном электрическом поле будет захватывать заряды такого знака, который соответст­ вует ионам, движущимся навстречу частицам. При этом необхо­ димо учитывать аэродинамическое обтекание частицы, которое со­ вершают ионы вместе с воздухом. Следовательно, механизм захвата ионов Вильсона является частным случаем эффекта асимметрии. Так, если поле будет положительным, то частицы должны полу­ чить отрицательные заряды. Поэтому эффект асимметрии должен всегда приводить к усилению начального поля независимо от его направления. В отличие от Вильсона, Валль считает, что начальное поле не является нормальным полем атмосферы, а создается ледя­ ными кристаллами, которые представляют собой диполи. Он ука­ зывает на то, что таковыми являются только свежеобразованные ледяные кристаллы.

Очевидно, что теории Валля свойственны все те недостатки, ко­ торые обнаружены при рассмотрении любой теории, базирующейся на представлении об атмосферных ионах как источнике грозового электричества. Кроме того, неверно также утверждение Валля, что ледяные кристаллы представляют собой диполи. Специальные опыты Мейсона и Аустона [432] показали, что асимметричные ледяные кристаллы, образующиеся при сублимации водяного пара, не прояв­ ляют пьезо- и пироэлектрических свойств, характерных для поляр­ ных кристаллов. Это указывает на то, что при образовании и росте ледяных кристаллов не происходит упорядоченное осаждение мо­ лекул воды и возникновение суммарного диполя.

265

Необходимо отметить еще попытку Росмана [491] объяснить об­ разование электрического поля грозы ориентацией дипольных ледя­ ных кристаллов. Причиной появления диполей он считает пиро- и сегнетоэлектрические свойства ледяных кристаллов. При этом Росман предполагает, что при переходе из кристаллической части в капелы-ю-жидкую происходит резкое .возрастание напряжен­ ности поля в отношении, равном отношению диэлектрических про­ ницаемостей воды и льда, т. е. в 27 раз. Здесь Росман допускает

нет сплошного заполнения пространства водой и льдом — они за­ нимают малую часть пространства, и отношение вообще должно мало отличаться от единицы.

4.6. СХЕМА ФИНДЕИЗЕНА

Финдейзен [297], основываясь на своих исследованиях электри­ зации при сублимации водяного пара, испарении льда и при замер­ зании переохлажденных капель на поверхности льда (коагуляции), разработал теорию грозового электричества. Он получил, что суб­ лимация водяного пара сопровождается вырыванием из поверх­ ности ледяных частиц осколков, которые получают отрицательные заряды, а ледяные частицы — положительные. При быстрой коагу­ ляции образуются ледяные осколки с зарядами того же знака, только интенсивность электризации примерно на три порядка больше, чем при сублимации. Испарение ледяных частиц также приводит к образованию ледяных осколков, только знак зарядов осколков и частиц обратный тому, который соответствует сублима­ ции и коагуляции. Интенсивность электризации при испарении при­ мерно такая же, как при сублимации.

Согласно Финдейзену, в результате подъема воздуха в цен­ тральных частях грозового облака зарождаются ледяные частицы, на которых происходит коагуляция. Частицы получают положитель­ ные заряды, а осколки — отрицательные. Вследствие различия в скорости падения ледяных частиц и осколков происходит макро­ разделение зарядов, приводящее к образованию вблизи уровня изо­ термы 0°С положительно заряженной области, а выше — отрица­ тельно заряженной. На высотах, где скорость восходящих токов недостаточная для подъема вверх ледяных частиц и температура низкая, происходит сублимация водяного пара, и частицы приобре­ тают положительные заряды, создавая верхнюю, положительно за­ ряженную область. В тыловой части облака, где существуют нис­ ходящие токи воздуха, ледяные частицы опускаются и испаряются. Частицы получают отрицательные заряды, а осколки — положи­ тельные. В результате вверху остаются отрицательные осколки, ко­ торые создают в облаке отрицательную область, а положительно заряженные частицы выпадают в виде дождя. Финдейзен также

266