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

зультате различий в концентрациях примесей при соударении

дов, в результате которого вверху образуется положительно за­ ряженная область, а внизу — отрицательно заряженная область.

Наблюдения за концентрацией солей в осадках в Нью-Мексико (США) показали, что процесс электризации, обусловленный раз­ личиями в концентрации солей, играет второстепенную роль в об­ разовании грозового электричества по сравнению с процессами электризации, вызванными разностью температур. Рейнольдс и др. [486] с точностью до одного порядка оценили количество электри­ чества, протекающего в грозовом разряде, исходя из предполага­ емого ими механизма электризации. При падении крупы радиусом 2 мм в среде ледяных кристаллов радиусом 50 мкм и с концентра­ цией ІО4 м-3 следует ожидать, что достигается плотность заряда не меньше 1,6-ІО-6 Кл/кг. Тогда для получения заряда 20 Кл не­ обходимо, чтобы грозовая ячейка имела диаметр около 1,3 км, что близко к данным наблюдений.

Схема грозы Рейнольдса вызывает ряд возражений. Как указы­ вают Мейсон [116], Брук [17] и Чалмерс [196], между эксперимен­ тальными данными Рейнольдса и др. [486], с одной стороны, и Лезема и Мейсона [380, 382] — с другой, существует расхождение на четыре порядка, которое не получило еще окончательного объясне­ ния. Во всяком случае, величина заряда при одном контакте в 1,6Х Х10-13 Кл, принятая Рейнольдсом и др. [486], по-видимому, значи­ тельно завышена, тем более что это значение получено для замет­ ной разности между температурой пробного тела и температурой ледяных кристаллов, которую нельзя ожидать при соударении крупы с ледяными кристаллами в облаках. Рейнольдс исходит из соображения, что крупа при падении теплее, чем ледяные кристаллы, что в действительности не должно иметь места. При падении ледя­ ных кристаллов радиусом 30 мкм и более коагуляция с переохлаж­ денными капельками наряду с сублимацией играет значительную роль в их росте. Вероятность захвата капелек крупными частицами пропорциональна квадрату их радиуса. Вместе с тем повышение температуры этих частиц за счет тепла капелек должно быть об­ ратно пропорционально массе частиц, т. е. кубу их радиусов. Сле­ довательно, повышение температуры частиц за счет тепла кри­ сталлизации переохлажденных капелек должно быть обратно пропорционально радиусу этих частиц, т. е. частицы больших раз­ меров должны меньше нагреваться, чем частицы малых разме­ ров. Этот эффект будет усиливаться за счет вентиляции частиц при падении, так как интенсивность теплообмена частицы с окру­ жающим воздухом будет увеличиваться с увеличением коэффи­ циента вентиляции, который приблизительно пропорционален ра­ диусу частицы.

277

4.11. СХЕМА ГРЕНЕ—ВОННЕГУТА

Грене создал теорию грозового электричества, которая была развита Воннегутом [558]. Грене считает, что легкие ионы, посту­ пающие в кучевое облако с восходящими токами и имеющие про­ должительность жизни около 5 с, оседают на облачных капельках. Вследствие этого проводимость в облаке уменьшается по сравне­ нию с проводимостью свободной атмосферы и в облаке накапли­ вается заряд. Под действием поля этого заряда происходит подтя­ гивание зарядов противоположного знака, которые оседают на облачных капельках на границе облака. Так образуется компен­ сирующий заряд на границе облака.

В дни с развитием кучевых облаков в приземных слоях ат­ мосферы существует, как правило, избыток положительных ионов и облака приобретают положительный заряд (рис. 70 а). В ре­ зультате роста облака и развития нисходящих токов на его пе­ риферии происходит усиление положительного заряда внутри об­ лака, а отрицательный заряд накапливается в его внешних частях (рис. 70 6). Дальнейший рост облака приводит к увеличению за­ рядов, положительного в центральной части и отрицательного в нижней и средней периферийных частях (рис. 70в). Усиление электрического поля под периферийными частями облака приводит к возникновению коронного разряда с остроконечных тел на по­ верхности земли. Положительные ионы коронного разряда будут переноситься восходящими токами внутрь облака, что вызовет быстрое увеличение положительного заряда внутри облака и зна­ чительный рост напряженности электрического поля. Усиление электрического поля приведет к заметному увеличению скорости коагуляции капель и образованию дождя (рис. 70s). К этому вре-

278

мени напряженность электрического поля достигает пробойных зна­ чений, и возникает грозовой разряд.

Воннегут и Мур [559] считают, что грозовые разряды создают особенно благоприятные условия для коагуляции, поэтому сущест­ вует связь между разрядами молнии и усилением осадков, наблю­ даемых у земли. Это усиление дождя должно происходить после разряда через некоторое время, необходимое для достижения круп­ ными каплями поверхности земли.

Воннегут и его коллеги выполнили большое число исследова­ ний, задачей которых было получить подтверждение правильности описанной выше теории грозового электричества и в первую оче­ редь подтверждение того, что первичным в грозовых облаках яв­ ляется накопление зарядов, а вторичным — образование осадков.

Воннегут и Мур [558] создавали в приземных слоях атмосферы искусственный объемный заряд с помощью тонкой проволоки, к ко­ торой подавался высокий потенциал (до 30 кВ). Длина проволоки около 7 км, подвешивалась проволока на высоте 10 м. Существо­ вание дополнительного объемного заряда прослеживалось по край­ ней мере на расстоянии 8 км от проволоки с подветренной сто­ роны. Изменение знака потенциала проволоки приводило к соот­ ветственному изменению градиента потенциала в атмосфере. Вон­ негут и др. [562] провели ряд наблюдений с самолета за кучевыми облаками, которые развивались с подветренной стороны от источ­

тельного объемного заряда у поверхности земли кучевое облако почти полностью имело заряды того же знака. Только на пери­ ферии облака в нижней его половине образовался экранирующий положительный заряд. При перемене знака заряда, создаваемого проволокой, происходило соответствующее изменение знаков заря­ дов в облаке.

На основе измерений отражаемости от грозовых облаков с помощью чувствительного трехсантиметрового радиолокатора Мур и др. [448] пришли к выводу, что для возникновения первого удара молнии не требуется значительная интенсивность осадков и что после грозового разряда отражаемость резко возрастает. Че­ рез некоторое время (примерно 1 мин) после разряда у поверх­ ности земли интенсивность дождя достигает 70 мм/ч и больше. На этом основании сделан вывод, что осадки являются не причиной грозовых разрядов, а, скорее, их следствием. При анализе рас­ сматриваемых данных наблюдений необходимо обратить внимание на то, что использовались вертикальные разрезы. В таком случае вследствие движения очагов ливней очень трудно произвести радио­ локационный разрез через то же самое сечение облака. Ввиду боль­ шой неоднородности грозовых облаков это может привести к весьма неопределенным результатам. Из снимков, приведенных Муром и др. [448], следует, что за 10—20 с происходит не только рост радио­ эхо в одних частях радиолокационного обзора, но и их быстрый

279

распад в других частях, а этот факт с позиций автора [448] уже не имеет достаточно убедительного объяснения.

Многие авторы отмечают усиление осадков после грозовых раз­ рядов, например Росман [491] и др. Возможно, что причиной та­ кой связи, как указал В. М. Мучник, является не что иное, как приближение к месту наблюдения грозовой ячейки через несколько минут после разряда. Во всяком случае статистическая обработка данных о колебаниях площади осадков отдельного грозового очага показала, что колебания имеют другую частоту, чем грозовые раз­

скорости коагуляции частиц в грозовых облаках и скорости опуска­ ния нижней границы радиоэхо (порядка 50 м/с).

Так как основным источником зарядов по теории Грене—Вонне­ гута является ток сострий, рассмотрим этот вопрос несколько под­ робней. Согласно рис. 70, положительные заряды, создаваемые то­ ком с острпй под периферийными частями облака, должны уно­ ситься восходящими токами к центральным частям облака, где они поднимаются вверх. Но при своем движении заряды должны пересекать область интенсивного дождя, в которой они в боль­ шинстве будут захвачены каплями — известный механизм переза­ рядки капель, наблюдаемый под грозовыми облаками, приводящий к возникновению «зеркального» эффекта [521]. Так что у поло­ жительных ионов мало шансов достигнуть центральной части об­ лака, тем более что вместе с ливневым дождем развиваются нис­ ходящие токи.

4.12. СХЕМА МАК-КРИДИ

Основываясь на материалах измерений распределения зарядов гидрометеоров по высоте в сильно электризованных облаках и грозах во Флагстаффе (США), Мак-Криди [111] пришел к выводу об особой роли электризации при таянии градин в образовании электричества грозовых облаков. В результате измерений МакКриди и Праудфит [405] получили, что в конвективных облаках во Флагстаффе твердые гидрометеоры выше уровня изотермы 0° С имеют преимущественно положительные заряды. Механизм элект­ ризации, обусловливающий образование таких зарядов, не рассмат­ ривается. Однако предполагается, что отрицательные заряды, ко­ торые образуются в результате этого механизма электризации, каким-то образом «выветриваются» из вершины облака в окружаю­ щее пространство. При опускании твердых гидрометеоров и их таянии или увлажнении происходит изменение знака зарядов иа от­ рицательный. Положительные заряды, которые поступают в воз­ дух при таянии гидрометеоров, будут переноситься восходящими токами вверх, что приведет к увеличению заряда положительно за­ ряженной области. Так как полеты производились в полностью переохлажденных облаках, у которых нижняя граница располага­

280

лась выше уровня изотермы 0° С, авторы [405] считают, что изме­ нение знаков зарядов при падении твердых гидрометеоров проис­ ходит целиком за счет таяния, поскольку их соударение с облач­ ными элементами исключается. Таким образом, согласно МакКриди, положительно заряженная область в грозовых облаках должна размещаться непосредственно над уровнем изотермы 0°С, а отрицательно заряженная область — несколько ниже этого уровня.

Как отмечает Мак-Криди, его схема еще не закончена, тем бо­ лее, что в некоторых случаях наблюдавшееся распределение заря­ дов не укладывалось в эту схему. Кроме того, существует несо­ ответствие между результатами лабораторных экспериментов (см. раздел 3.1.10) и полевых наблюдений. Согласно большинству лабо­ раторных экспериментов, лед заряжается при таянии положительно, а не отрицательно, как этого требует разрабатываемая схема. Только Мак-Криди [404] получил, что при таянии ледяных частиц в аэродинамической трубе на них появляются отрицательные за­ ряды. По-видимому, требуются специальные полеты с целью иссле­ дования концентрации солей в градинах, так как они влияют на знак зарядов, образующихся при таянии льда.

Можно указать на весьма мощный механизм электризации, ко­ торый должен действовать ниже уровня изотермы 0° С в слое ин­ тенсивного таяния; он объясняет наблюдаемое распределение заря­ дов. В этом слое должно существовать сильное электрическое поле положительного направления, обусловленное положительными заря­ дами твердых гидрометеоров над уровнем изотермы 0°С. Вследствие таяния ниже уровня изотермы 0°С должны находиться сравни­ тельно крупные капли, с которыми соударяются твердые гидро­ метеоры. При отражении фрагментов капель от нижней части твердых гидрометеоров в положительном электрическом поле послед­ ние должны получать отрицательные заряды в согласии с дан­ ными наблюдений Мак-Криди и Праудфита [405]. При этом для по­ лучения зарядов ІО-9 Кл достаточно соударения градины с каплей радиусом около 3 мм в поле напряженностью порядка 5 - ІО4 В/м (см. раздел 3.2.3). С таких позиций можно объяснить и те несо­ ответствия в распределении зарядов с высотой, на которые ука­ зывали авторы [405].

Не находят объяснения и исключительно большие отрицатель­

ном из полетов на уровне, располагавшемся примерно на 1200 м ниже уровня изотермы 0° С, при температуре около 12° С. Из дан­ ных лабораторных экспериментов Динджера [280], а также МакКриди и Праудфита [406] со льдом из дождевой и снеговой воды и градинами следует, что при таянии должен образовываться за­ ряд плотностью не более 1• ІО-7 Кл/кг. Поэтому для получения заряда 10-9 Кл потребовалось бы таяние огромной градины весом до 10-2 кг, тогда как наблюдения были выполнены при падении градин умеренных размеров.

281

4.13. СХЕМА ИМЯНИТОВА

И. М. Имянитов [74, 344] считает, что заряды в грозовых об­ лаках образуются за счет контактного механизма электризации при соударении частиц — жидких с жидкими, жидких с твердыми, твер­ дых с твердыми — и при частичном срывании воды, намерзаю­ щей на поверхности твердой частицы. Он указывает, что процесс образования основных зарядов в кучево-дождевых и слоистых об­ лаках один и тот же, но только в первых не достигаются стацио­ нарные условия. Имянитовым была разработана модель развития грозового облака (рис. 71), основанная на современных представ­ лениях о динамике кучево-дождевых облаков и их электрической структуре.

Разделение зарядов и формирование заряженных областей в грозовых облаках обусловлены действием гравитационных сил и восходящих токов. Когда капли настолько укрупняются, что скорость их падения превышает скорость восходящих токов, они пе­ ремещаются вниз, перенося с собой положительные заряды. Остаю­ щийся объемный заряд переносится восходящими токами вверх. В дальнейшем центр нижнего положительного заряда продолжает с осадками опускаться вниз, а вслед за ним опускается вниз и центр отрицательного заряда. В то же время благодаря токам про­ водимости формируется положительный заряд в верхней кристал­ лической части облака. Генерация зарядов сопровождается их дис­ сипацией за счет проводимости, под которой подразумевается сумма электрической проводимости и «турбулентной», т. е. вызван­ ной нейтрализацией объемных зарядов при перемешивании струями объемов с противоположно заряженными частицами. Потери вслед­ ствие турбулентной проводимости возрастают в областях образо­ вания зарядов, где концентрация частиц и турбулентность наи­ большие. Вместе с тем турбулентность приводит к появлению зна­ чительных неоднородностей объемных зарядов. В таких неоднород­ ностях напряженность электрических полей легче может достигать критических значений, необходимых для инициирования грозовых разрядов.

•282

В результате вычислений было получено, что в среднем верхний положительный заряд изменяется от 2 до 38 Кл, тогда как нижний отрицательный от 1,2 до 37 Кл. Средний верхний положительный заряд оказался равным 19 Кл, а нижний отрицательный — 17 Кл. Их центры находились в среднем на высотах 6,6 и 5,1 км соответст­ венно.

Схема грозы Имяиитова представляет значительный интерес, так как при ее построении сделана попытка возможно полнее учесть современные представления о высокой проводимости в гро­ зовых облаках, существование неоднородностей и т. п. Но эта схема не лишена н определенных недостатков. Так, не объяснено отсутствие влияния индустриальных загрязнений на грозовую деятельность, которое должно сильно проявляться в случае, если бы основным был контактный механизм электризации. Кроме того, эта теория еще не достаточно развита количественно.

*

Из обзора схем образования грозового электричества, при­ веденных выше, можно заключить, что еще и сейчас отсутствует теория, способная в достаточно полной мере описать развитие грозы. Причин такого положения, по-видимому, много, поэтому для построения сравнительно завершенной теории грозы необходимо по­ лучить более достоверные и надежные сведения об основных ха­ рактеристиках грозовых облаков и их изменениях во времени и пространстве. Поэтому сейчас можно ставить задачу только о соз­ дании идеализированной схемы, способной объяснить главные черты грозы. Для этого необходимо указать на основные недостатки рас­ смотренных выше схем грозового электричества. Таких основных недостатков два: использование для развития схем грозы сравни­ тельно мало эффективных механизмов электризации и весьма при­ митивных моделей кучево-дождевых облаков.

Из выполненного в главе 3 анализа различных механизмовэлектризации, а также из рассмотрения, осуществленного Имянитовым [77], вытекает, что одними из наиболее интенсивных яв­ ляются механизмы электризации при разрушении капель в электри­ ческом поле, в особенности при их соударении с ледяными части­ цами. Начиная с 1952 г. автор настоящей работы предпринял ряд. попыток создать схему образования грозового электричества, бази­ рующуюся на механизмах электризации при разрушении капель- в электрическом поле [122, 125, 126, 133, 451]. На основании этих

в кучево-дождевых облаках, как теплых, так и смешанного строения.

28а

4.14. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ АВТОРА

При рассмотрении процессов образования осадков в кучево­ дождевых облаках обращает на себя внимание тот факт, что на определенной стадии развития облаков возникает сильное элект­ рическое поле; следовательно, должно существовать его влияние как на электризацию гидрометеоров, так и на условия их роста. На этом основании можно сделать вывод, что невозможно по­ строить теорию грозового электричества, не учитывая существова­ ния взаимной связи между ростом и электризацией гидрометеоров

вкучево-дождевых облаках.

Вразвитых мощных кучевых облаках даже при условии обра­ зования значительной переохлажденной части наблюдаются срав­ нительно небольшие электрические поля, средняя напряженность которых порядка (0,5 1) • Ю3 В/м, а максимальная обычно не пре­ вышает ІО4 В/м в отдельных небольших объемах. Объемные за­ ряды обоих знаков распределены по всему облаку таким образом, что суммарный заряд в верхней половине облака положительный, а в нижней — отрицательный. Вследствие того, что облако пересе­ кается значительным числом конвективных струй, хаотически рас­

пределенных внутри облака, и из-за сравнительно малых различий в размерах капель (отсутствуют крупные капли) макроразделение зарядов и создание заряженных областей большой плотности в мощных кучевых облаках не происходят. В развитых мощных кучевых облаках сравнительно быстро устанавливается стационар­ ное состояние, при котором образование зарядов компенсируется их диссипацией.

Описанные условия господствуют в мощных кучевых облаках, развивающихся над сушей, и, по-видимому, именно поэтому нет каких-либо достоверных сведений об образовании «теплых» гроз над сушей. Иное положение существует над теплыми морями, где ■благодаря высокой влажности, большому количеству гигантских ядер конденсации и высокому уровню изотермы 0° С в мощных кучевых облаках могут развиваться интенсивные восходящие токи, ■охватывающие все облако. Тогда в них появляются условия для образования крупных капель и электрических процессов с обратной связью. Такие процессы могут происходить в капелы-ю-жидких ■облаках только благодаря механизму электризации при контакте и разрушении капель в электрическом поле.

4.14.1. Схема образования теплых гроз

При падении крупной капли в среде облачных капелек возмо­ жен ее кратковременный контакт с капельками, сопровождаемый их отражением от нижней части капли или скольжением и отрыва­ нием их в верхней части капли. Но во втором случае капли заря­ жаются в вертикальном электрическом поле зарядами таких зна­ ков, которые при разделении внутри облака могут привести только

284

к ослаблению поля. Следовательно, применительно к внутренней части облаков представляет некоторый интерес случай с отраже­ нием капелек от нижней части крупной капли. Если же соударения капель с облачными капельками будут происходить в восходящих токах не между заряженными областями в облаке, а ниже центра области, расположенной внизу облака, то рассмотренные механизмы электризации поменяются ролями. К усилению поля будут при­

ряженные капельки вверх, в верхнюю положительно заряженную область, а крупные отрицательно заряженные капли будут удержи­ ваться в нижней области или выпадут из облака. Так как сейчас

щественным в облаках, приходится сделать вывод, что заряды, об­ разующиеся за счет этих механизмов, должны в значительной сте­ пени скомпенснроваться. Необходимо еще иметь в виду возражения относительно возможности контакта капелек с каплей без слияния в поле напряженностью более ІО3 В/м. Поэтому надо полагать, что эти механизмы электризации вряд ли вносят основной вклад в ба­ ланс зарядов теплой грозы.

Рассмотрим теперь возможную роль электризации при разру­ шении крупных капель при падении в восходящих токах. На уровне с максимальной скоростью восходящих токов создаются условия для особенно интенсивного роста капли. Ниже этого уровня, где скорости недостаточно велики для поддержания капли, рост ее продолжается, но с меньшей интенсивностью. Так что капли, пре­ одолевшие уровень с максимальными скоростями, должны быть наибольшими и в нижней части облака должны иметь максималь­ ные размеры. Если капли достигнут состояния неустойчивости, по­ следует их разрушение в электрическом поле, направленном вверх. Тогда крупные фрагменты получают отрицательные заряды, а мель­ чайшая водяная пыль, легкие и тяжелые ионы — положительные. В восходящих токах происходит макроразделение зарядов, причем крупные фрагменты поднимаются в отрицательную область, а водя­ ная пыль, легкие и тяжелые ноны вместе с облачными капельками, на которые они вскоре осядут, поднимаются выше, в положительно заряженную область. Каждый акт разрушения капель приводит к увеличению зарядов основных областей в облаке. Поэтому каж­ дый следующий подобный акт происходит в более сильном электри­ ческом поле, что приводит к более интенсивной электризации фраг­ ментов. Следовательно, должен иметь место процесс нарастания электрического поля с положительной обратной связью (В. М. Муч­ ник [125, 126, 133]).

Из экспериментальных данных известно, что крупная капля (ра­ диусом 2,5—3 мм) разрушается на 10—20 капель радиусом около 0,5 мм. Эти капли, будучи подняты восходящими токами вверх, имеют значительно больше шансов вырасти до предельных размеров и снова принять участие в спонтанном разрушении. Происходит

285

размножение капель, участвующих в процессе заряжения облака. Как известно, примерно такое же представление о размножении капель положил Лэнгмюр [109] в основу своей теории образования ливней из теплых облаков.

Для оценки скорости накопления зарядов в грозовых облаках необходимо определить также токи утечки, которые в случае теп­ лых облаков образуются за счет выпадения осадков и токов про­ водимости. Ток утечки с острип под облаком можно не учитывать исходя из предположения, что теплые грозы развиваются над мор­ ской поверхностью. Нет необходимости вводить в рассмотрение ток утечки за счет тока молний, так как оценку скорости накопления зарядов в облаке предполагается осуществлять до момента на­ ступления разряда.

Проводимость в недождящих кучевых облаках ниже, чем прово­ димость свободной атмосферы на том же уровне. При образовании

воблаках крупных капель, способных к спонтанному разрушению

вэлектрическом поле, появляется дополнительный источник лег­ ких ионов. К сожалению, сейчас нет сведений о зависимости об­ разования числа легких ионов от напряженности поля. Известно только, что легкие ионы имеют знак, соответствующий знаку ин­ дуцированного заряда на верхней части капли. Для оценки будем считать, что число легких ионов при разрушении капель не зави­ сит от напряженности поля и составляет ІО6 ионов на каплю, так как значение ІО5 ионов на каплю, ранее полученное Мучником [124],

следует считать заниженным (см. раздел 3.2.5). Так как средняя продолжительность жизни легких ионов в облаке составляет около 5 с, можно считать, что зона повышенной проводимости в облаке совпадает с зоной разрушения капель. Если облако имеет вертикаль­ ную протяженность в несколько километров, то можно полагать, что основная зона разрушения капель имеет протяженность не бо­ лее 500—1000 м исходя из разной истории роста отдельных капель. Будем считать, что разрушение капель происходит равномерно во всей этой зоне.

Кроме электрической проводимости, на ток утечки влияет ток турбулентной проводимости, вызываемый перемешиванием частиц с зарядами противоположных знаков. Как указывает И. М. Имянитов [74], в теплых кучево-дождевых облаках, развивающихся над акваториями морей и океанов, турбулентная проводимость должна быть малой, так как в этих условиях в облаках возникает срав­ нительно слабая турбулентность. На этом основании можно прене­ бречь турбулентной проводимостью по сравнению с электрической.

Теперь примем, что в облаке падает поток капель одинакового размера (радиусом около 3 мм), соответствующий интенсивности грозового ливня 108 мм/ч. Это означает, что через 1 м2 сечения облака за 1 с будет проходить, разрушаясь, около 3-102 капель, причем образуется 3 - ІО8 ионов. Так как длительность жизни

286