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

считает, что в пространстве между положительно и отрицательно за­ ряженными областями, где падают ледяные частицы, действует эф­ фект Вильсона, который приводит к усилению поля между этими областями. Так как заряды, образующиеся за счет коагуляции, при­ мерно на три порядка больше, чем заряды, образующиеся в резуль­ тате сублимации и испарения ледяных частиц, то основными цент­

наблюдается смесь положительно и отрицательно заряженных ка­ пель. Таким образом, на основании теории Финдейзена—Вихмана получалась правильная качественная картина распределения заря­

Повторение Крамером [115] опытов Финдейзена показало, что тела в потоке заряжаются отрицательно, а не положительно. В дальнейшем появилось значительное число других эксперимен­ тальных исследований, которые подтвердили вывод, сделанный Крамером. В частности, многочисленные исследования Лезема и Мейсона [380, 381] дали такие же результаты. Следовательно, схема грозы Финдейзена основана на неверных представлениях о меха­ низме электризации гидрометеоров в кучево-дождевых облаках.

4.7. СХЕМА МЕЙСОНА

Так как электризация, сопровождающая осаждение переохлаж­ денных капелек на поверхности льда, имеет сравнительно большую интенсивность, Мейсон [115], несмотря на критику теории грозы

267

Финдейзена, рассчитал заряды, образующиеся при росте крупы в грозовых облаках. При этом он исходил из данных наблюдений Кютнера [370], обнаружившего, что крупа является наиболее часто повторяющимся видом гидрометеоров в грозовых облаках, а также из данных Малана и Шонланда [422] о том, что в грозах Южной Африки отрицательно заряженная область распространяется до вы­

мается постоянным восходящим током со скоростью 10 м/с до не­ которой максимальной высоты, где скорость восходящих токов сравнивается со скоростью падения крупы. При падении крупа рас­ тет в области сухого роста, и ее электризация происходит за счет ко­ агуляции облачных частиц до момента наступления мокрого роста. Плотность крупы начиная с радиуса 100 мкм принимается постоян­ ной и равной 3 - 10-4 кг/м3. Скорость электризации берется равной 5* ІО-8 Кл/(м2-с) согласно данным Вейкмана и Кампе [565]. При этих условиях Мейсон получил, что в ячейке грозового облака ра­ диусом 2 км за время 11,5 мин вследствие электризации крупы ге­ нерируется заряд около 500 Кл, которого достаточно для возникно­ вения грозы средней интенсивности.

Анализируя полученные результаты, Мейсон указывает на то, что крупа радиусом 1 см и более не наблюдается. Поэтому он счи­ тает, что концентрация частиц крупы должна быть больше приня­ той ранее, а их радиусы не должны превышать 2,5 мм. Тогда об­ щий генерируемый заряд увеличивается примерно до 2700 Кл, что Мейсон считает завышенным. Заметим, что при этих вычислениях не была учтена потеря разделяющихся зарядов за счет проводи­ мости.

Учитывая такие факторы, как распределение крупы по разме­ рам, изменение скорости восходящих токов с высотой, ток утечки, обусловленный проводимостью воздуха и током с острий под гро­ зовым облаком, Мейсон [116] произвел новые расчеты скорости на­ копления зарядов и изменения напряженности электрического поля. Полная скорость образования зарядов между уровнями г0 и z в грозовом облаке в результате замерзания капелек на поверхности

меньших размеров при замерзании дают малое число ледяных оскол­ ков); Zq•— некоторый начальный уровень. Величина FD(z) представ­ ляет собой объем, «выметаемый» сухими градинами на уровне z за единицу времени:

(98)

о

268

Здесь RKq(z ) — критический радиус градины, при котором происхо­ дит ее увлажнение на уровне z; v(R, z) — скорость падения гра­ дины.

Плотность распределения градин по размерам в восходящем токе можно представить, согласно Атласу и Ладлему [215], следую­ щим образом:

В формуле (97) n{z) — плотность распределения переохлажден­

где n0— концентрация капелек на уровне z0\ u(z) — скорость вос­ ходящего потока на уровне г; F ( z ) — объем захвата капелек, от­ носящийся ко всему спектру града. Подставив значения из (98), (99) и (100) в (97), получим

20 мин генерировалось около 1000 Кл, полагает dQjdt—lk. Далее, полагая, что А = 107 м2 (средний радиус ячейки 3 км), <7d=l,3x ХЮ~15 Кл, определяя значения Fd и F по данным наблюдений Ат­ ласа и Ладлема [215] для грозы, у которой скорость восходящего тока задавалась выражением u(z)= 5(z —1) м/с (z измерялось в километрах), и принимая водность равной 3* 10—3 кг/м3, Мейсон получил на основании (101), что п0 = 5* 10е м_3. Он считает, что это значение вполне правдоподобно, так как, согласно измерениям, концентрации капелек с г>25 мкм до 5- 10е м_3 встречались в ку­ чево-дождевых облаках (Вейкман и Кампе [565]).

Мейсон [116] показал, что скорость нарастания напряженности электрического поля в результате макроразделения зарядов на градинах и ледяных осколках можно представить выражением

-Ж -+Р-§-=- ^ 2 ^W (tfK (/?)=- -ъ гЩ а Ш & іЖ

( 102)

где ß — коэффициент, пропорциональный току утечки за счет токов с острий под облаком и токов проводимости воздуха; р — интен­

сивность осадков; рі — средняя плотность ледяных частиц; ѵ и R — взвешенные средние скорости падения и радиуса градин соответ­ ственно.

269

Допуская, что интенсивность осадков быстро увеличивается во времени до максимального значения ртах, которое затем остается неизменным в течение нескольких минут, можно написать

(105), что Е через 10 мин достигнет значения 3,15ІО5 В/м и через 15 мин 6,4- ІО5 В/м. Если ячейка имеет радиус 2 км, то за 10 мин полный отрицательный заряд крупы достигнет 1120 Кл, который скомпенсируется на 1085 Кл объемным зарядом, создаваемым то­ ками проводимости и током с острий. Следовательно, в этом объеме будет находиться отрицательный заряд 35 Кл, который создаст поле напряженностью 3,15ІО5 В/м.

Мейсон далее предполагает, что через время т=1 /а напряжен­ ность поля достигает пробойного значения и при разряде нейтрали­ зуется большая часть заряда, так что напряженность поля практи­ чески уменьшается до нуля. Вследствие того что процесс отделения крупы от ледяных осколков продолжается, поле начинает восста­ навливаться. Скорость восстановления поля можно представить интегралом уравнения (104) в пределах от 0 до т:

270

разряда. За это же время произошло разделение заряда 30 Кл.

К недостаткам теории грозы Мейсона следует отнести в первую очередь отсутствие определенности в условиях образования оскол­ ков в кучево-дождевых облаках. Исследования показывают, что чем ближе условия проведения лабораторных экспериментов к естест­ венным, тем больше имеется оснований предполагать, что при за­ мерзании капель не происходит их разрушение с образованием большого числа осколков. Нет также ясности в отношении вели­ чины заряда, разделяющегося при образовании осколка; в этом отношении у ряда авторов получены весьма противоречивые дан­ ные. Если даже встать на позицию Мейсона относительно числа осколков, образующихся при одном акте замерзания капельки на поверхности градины, и величины заряда, разделяемого при таком акте, то и тогда его теория встречает ряд возражений. Так, при вычислении напряженности поля по (105) Мейсон принял, что про­ водимость воздуха в облаке Х = 2,2 • ІО-14 См/м, тогда как внутри грозовых облаков проводимость на два порядка выше, т. е. К = = 10~12 См/м. Если теперь провести вычисления с прежними значе­ ниями а, б и значением ß= 4 jt-1,1 • 10-12 См/м для t = 600 с, то тогда £«=5-104 В/м. Таким образом, критическая напряженность поля порядка 5- ІО5 В/м, необходимая для возникновения грозового разряда, не достигается. Если принять объем заряженной области равным 50 км3, то средняя плотность заряда равна 0,7 • ІО-9 Кл/м3, т. е. меньше наблюдаемой в грозовых облаках. Кроме того, приня­ тый механизм электризации не позволяет объяснить существование в грозах высокой проводимости. Таким образом, теория грозы Мей­ сона не выдерживает количественной проверки и не является до­ статочно обоснованной. Однако механизм электризации, положен­ ный в основу этой теории, может играть, по-видимому, определен­ ную роль в образовании грозы на начальных стадиях ее развития.

. 4.8. СХЕМА ВОРКМЕНА— РЕЙНОЛЬДСА

Воркмен и Рейнольдс [584] положили в основу своей теории гро­ зового электричества явление электризации при замерзании весьма слабых растворов воды. Согласно этой теории, зона разделения за­ рядов лежит между уровнями изотерм 0°С и —10° С. В ней ледя­ ная крупа и град соударяются с каплями, поднимаемыми восхо­ дящими токами воздуха. Переохлажденные капли при соударении с градинами частично намерзают на них, а частично сохраняются в жидком виде, растекаясь по поверхности до тех пор, пока не сры­ ваются потоком воздуха. Так как замерзание всех слабых растворов (за исключением аммиачных) приводит к отрицательному заряже­ нию льда и положительному заряжению воды, в результате проис­ ходит разделение зарядов. Положительно заряженные капли под­ нимаются восходящими токами вверх, а отрицательно заряженные

271

ледяные частицы опускаются вниз, создавая таким образом глав­ ные положительно и отрицательно заряженные области в грозо­ вых облаках. Ниже уровня изотермы 0° С происходит соударение ледяных частиц с водяными каплями, которые уносят вверх отри­ цательные заряды, полученные от ледяных частиц. Эти заряды бу­ дут добавляться к нижней, отрицательно заряженной области, как и отрицательные заряды капель, которые возникают при таянии ледяной крупы и града ниже уровня изотермы 0°С. Воркмен и Рей­ нольдс считали, что если для образования грозы достаточно обра­ зования объемных зарядов около 1,6 *10—3 Кл/м3, то предполагае­ мый ими механизм позволяет ожидать возникновения объемных зарядов, по крайней мере в 1000 раз больших.

Схема Воркмена—Рейнольдса позволяет получить обычно на­ блюдаемое распределение знаков основных заряженных областей в грозовых облаках, а механизм генерации зарядов настолько интенсивный, что с избытком может обеспечить любой заряд, тре­ буемый для возникновения грозовых разрядов большой мощности и большой частоты. Однако очевидным недостатком, этой теории ока­ залось то, что ею не учитывается весьма большая зависимость ин­ тенсивности электризации от концентрации растворов при замерза­ нии. Была поставлена под сомнение возможность существования в грозовых облаках таких концентраций солей, которые приво­

замерзания не предопределяют разделения больших зарядов. Кроме того, в индустриальных районах, где содержание примесей, в част­ ности аммиака, в атмосфере весьма велико, грозы должны были бы иметь совершенно иные характеристики, чем в районах с чистым воздухом, что, однако, не наблюдается. В результате указанных совершенно справедливых критических замечаний Воркмен еще в 1963 г. предпринял попытку дальнейшего развития этой теории грозы.

Воркмен [23, 581] расширил представление об эффекте Ворк­ мена—Рейнольдса, распространив его на случай соударения су­ хого града с переохлажденными каплями. При соударении сухой градины с переохлажденной каплей намерзание льда происходит в течение времени, необходимого для разбрызгивания капли и от­ рывания ее фрагментов от поверхности градины. Специальные экс­ перименты, имитирующие такой процесс (см. раздел 3.1.4), пока­ зали, что вода любого состава и концентрации, за исключением аммиачной, заряжается положительно, а лед — отрицательно. Ин­ тенсивность электризации, по грубым расчетам, достигает 6,6X ХІО-5 Кл/кг. Следовательно, интенсивность процессов «мокрой» и «сухой» электризации достаточна для объяснения большой ско­ рости генерации зарядов в грозовых облаках. Кроме того, благо­ даря «сухому» эффекту зона генерации зарядов значительно расши­ ряется по вертикали, до уровня изотермы —30° С.

Процесс генерации зарядов и их распределение Воркмен пред­ ставляет себе следующим образом. При падении ледяной крупы

272

с уровня изотермы —30° С, где уже имеются достаточно большие переохлажденные капли воды, способные разбрызгиваться при со­ ударении с крупой, происходит «сухая» электризация. Градины за­ ряжаются отрицательно, а фрагменты капель—-положительно. Зона «сухой» электризации простирается по вертикали до уровня изотермы —10° С. В восходящих токах заряды разделяются под действием сил тяжести, вследствие чего положительные заряды

дет различным во влажных и сухих кли­ матических районах. Поскольку эффект «сухой» электризации почти не зависит от степени загрязнений, как это свой­ ственно эффекту «мокрой» электризации, то возражение относительно большого влияния загрязнений на процесс грозообразования, таким образом, также сни­ мается.

Воркмен пытался объяснить ряд явлений, характеризующих гро­ зовые облака. Он считает, что в интенсивной грозе напряженность электрического поля может достигнуть таких значений, при которых возникает коронный разряд, сопровождающийся значительным по­ вышением проводимости облачного воздуха. Очевидно, механизм генерации зарядов должен быть в состоянии компенсировать их максимальную утечку. Поэтому должна существовать взаимосвязь между генерацией электричества в грозовых облаках и образова­ нием осадков. Воркмен дал следующее объяснение явлению быст­ рого восстановления поля после грозовых разрядов. Так как разде­ ление зарядов в грозовых облаках происходит в восходящих токах, перенос токами положительного заряда вверх и перенос градинами отрицательного заряда вниз осуществляются с большой скоростью. Поэтому для восстановления поля требуется сравнительно малое

перемещение зарядов и соответственно малое время восстановле­ ния поля.

Схема грозы Воркмена—Рейнольдса в настоящем ее представ­ лении базируется на современной модели грозового облака и на интенсивном механизме электризации гидрометеоров, поэтому она

всостоянии объяснить многие явления, наблюдаемые в грозах. Вместе с тем эта теория встречает ряд существенных возражений,

впервую очередь количественного характера. Воркмен и Рейнольдс [584], Воркмен [23, 581] и др., оценивая интенсивность электризации, т. е. образования заряда при замерзании единицы массы раствора, исходили из количества зарядов, образующихся на границе лед— вода. В действительности интенсивность электризации при отрыва­ нии одной частицы от другой (так как только при этом условии происходит разделение зарядов) определяется разностью потен­

скольку речь идет об отрывании мелких капелек после их соударе­ ния с градиной или крупой, радиус капелек обычно не превышает 1 мм. Исследования показали, что при быстром замерзании, в пре­ делах десятых и сотых долей секунды, возникает разность потен­ циалов, не превышающая 10 В (см. раздел 3.1.4). Поэтому заряд, который разделяется при отрывании даже столь крупного фраг­ мента капли, не превышает ІО-12 Кл. Таким образом, чтобы полу­ чить разделение зарядов порядка 10-10 Кл, требуется примерно 102 соударений градины с крупными каплями, причем этот процесс не должен сопровождаться диссипацией заряда с градины, что весьма мало вероятно. Можно еще предположить, что заряды на градинах и крупе образуются за счет соударения с крупными облачными ка­ пельками. Но тогда придется отказаться от существующих пред­ ставлений о коагуляционном росте градин в переохлажденной части облака при температурах ниже —10° С. Таким образом, при всей своей привлекательности схема грозы Воркмена—Рейнольдса не

всостоянии дать правильное объяснение ее образования. Вместе

стем не следует упускать из виду возможное значение эффекта Воркмена—Рейнольдса на ранних стадиях развития грозы.

4.9. СХЕМА РЕЙТЕРА

Рейтер [481] также использовал механизм электризации Ворк­ мена—Рейнольдса для объяснения образования грозового электри­ чества. Но ои, исходя из общепринятого мнения о том, что при грозовых разрядах образуются окислы азота, мнения, подтвержден­ ного собственными измерениями их содержания в осадках на раз­ ных высотах, считает, что основными действующими химическими агентами являются окислы азота. Рейтер приходит к представлению о существовании в грозовых облаках процессов с обратной связью: если окислы азота существенны для процессов образования зарядов и их разделения, то разряды должны приводить к образованию

274

окислов, а те в свою очередь — к образованию зарядов и возникно­ вению разрядов и т. д.

В дальнейшем Рейтер в большой серии работ продолжал иссле­ довать условия образования окислов азота и их связь с грозовым электричеством и развивать свои представления об образовании грозы. На основании экспериментальных исследований он пришел к выводу, что при обламывании ледяных кристаллов, в которых существует градиент концентрации ионов NCV, происходит электри­ зация. Часть кристалла, которая имеет большую концентрацию ионов, получает отрицательный заряд. С этих позиций Рейтер [482] пытается объяснить распределение зарядов в грозовых облаках. В центре или в основании облака, где существуют изолированные объемы с большими зарядами противоположных знаков, происходят тихие или искровые разряды между гидрометеорами с образованием большого количества ионов NCV. Ледяные частицы, зарождающиеся в этом объеме, имеют большую концентрацию таких ионов. Когда частицы поднимаются вверх восходящими токами, они переносятся

нейшего роста на частицах нарастают оболочки из льда со значи­ тельно меньшей концентрацией ионов. Вследствие этого образуется градиент концентрации, направленный изнутри частицы к ее по­ верхности. Если с поверхности частицы будут срываться ледяные осколки, то они получат положительные заряды. Перенесенные вос­ ходящими токами вверх осколки создадут там положительно заря­ женную область. Ниже расположится отрицательно заряженная об­ ласть из более крупных ледяных частиц. Согласно оценке Рейтера и Карнат [483], интенсивность такого рода электризации достигает 2,5-ІО-10 Кл/(м3-с), т. е. имеет тот же порядок, что и интенсив­ ность, необходимая для образования грозы.

Как отмечает Рейтер, теорию грозы, основанную на развитых выше представлениях, нельзя считать завершенной, так как отсут­ ствует еще полная ясность как относительно процесса микроразде­ ления зарядов под действием различий в концентрации NCV, так и в отношении процесса макроразделения зарядов под действием тур­ булентности, гравитационных сил и сил, связанных с соударением частиц. Пока нет оснований утверждать, что рассмотренный меха­ низм электризации с обратной связью является достаточным для полного объяснения грозовой деятельности. Это видно хотя бы из того, что для начальной электризации требуется какой-то иной ме­ ханизм. По-видимому, в грозе действует несколько механизмов, ко­ торые еще должны быть установлены. Вместе с тем Рейтер считает, что описанный механизм электризации с обратной связью является существенным фактором в образовании электричества грозы.

Схема грозы Рейтера вызывает ряд возражений, в первую оче­ редь те, которые были высказаны по поводу схемы Воркмена — Рейнольдса. Электризация при обламывании ледяных кристаллов зависит от места их зарождения относительно электрического поля облака. Рейтер рассмотрел зарождение ледяных частиц в нижних

частях облака и их подъем вверх. В сильных полях сердцевина ледя­ ных частиц характеризуется большей концентрацией ионов, чем их внешняя оболочка. Но возможно одновременное образование и рост ледяных частиц при опускании сверху вниз. Тогда сердцевина ле­ дяной частицы будет иметь меньшую концентрацию ионов, чем пе­ риферия, и при обламывании веточек инея последние должны заря­ жаться отрицательно, а сама частица — положительно. Ледяные отрицательно заряженные осколки будут подниматься восходящими токами вверх в положительно заряженную область, а положитель­ ные частицы — опускаться вниз в отрицательную область. Такой процесс может привести только к ослаблению поля и прекращению грозовой деятельности. Заметим, что Рейтер не исключает такой возможности, когда заряды не усиливают поле, а ослабляют его.

Согласно схеме Рейтера, следует ожидать, что в грозовых осад­ ках должны наблюдаться наибольшие концентрации окислов азота. Между тем уже Р. Рейтер и М. Рейтер [484] обнаружили, что наи­ большей концентрацией характеризуется ливневый снег. Ваймейстер [553] указывает, что вообще отсутствует связь между грозовой деятельностью и содержанием окислов азота в осадках, если отно­ сить их содержание не к общему количеству выпавших осадков, а к единице объема. Из теории Рейтера следует, что должны су­ ществовать грозы из облаков, полностью находящихся при отрица­ тельных температурах, поскольку основной механизм электризации проявляется при обламывании ледяных кристаллов. Однако наблю­ дения не подтверждают этого вывода: грозы образуются только в тех облаках, нижняя часть которых находится при положитель­ ных температурах.

4.10. СХЕМА РЕЙНОЛЬДСА

Как уже указывалось выше, критика теории Воркмена—Рей­ нольдса заставила ее авторов отказаться от представления, что электризация при замерзании воды на градинах в области «мок­ рого» роста является основным механизмом образования электри­ чества в грозовых облаках. Рейнольдс [486] предпринял попытку видоизменить теорию, введя представление об электризации при трущемся контакте между крупой и ледяными кристаллами. При падении крупа соударяется с переохлажденными каплями, выде­ ляется тепло кристаллизации и повышается ее температура относи­ тельно температуры окружающего воздуха. Ледяные частицы растут вследствие сублимации и поэтому нагреваются в меньшей степени. В результате крупа оказывается теплее ледяных кристал­ лов. При их соударении, согласно экспериментальным данным, крупа должна получать отрицательный заряд, а ледяные кри­ сталлы—положительный. Крупа, растущая за счет переохлажден­ ных капелек, которые образовались на ядрах конденсации, со­ держит значительно больше примесей, чем ледяные кристаллы, рост которых обусловливается сублимацией водяного пара. В ре­

276