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

и Е. В. Чубариной [73], что при контакте лед—вода разность потен­

ные частицы на крупе почти не оседают. Расчеты можно проводить по той же формуле (126), но с указанными выше константами. Если

зовой модели облака на нижней границе области сухого роста для каждого из этих механизмов электризации равен 7-10_п Кл, а средний 2,6-ІО-11 Кл и соответственно в градовой 2,3 • 10-10 и 4,3X Х10-11 Кл. Так что величина зарядов, которые могут образоваться за счет электризации при соударении частиц, примерно такая же, как и за счет вырывания осколков. Поэтому на границе области сухого роста за счет электризации крупы нельзя ожидать образо­ вания полей с напряженностями, превышающими (2н-3) • ІО4 В/м. Если же допустить, что для льда Ѵк= 0,1 В, то тогда можно полу­ чить значения зарядов, на порядок большие, чем приведенные выше. Таким образом, напряженность поля на границе между об­ ластями сухого и мокрого роста может достичь критического зна­ чения. Вместе с тем должны резко увеличиться проводимость в об­ лаке и токи утечки. Так что если грозовые разряды и возникнут, то гроза будет малоинтенсивной, частота разрядов должна быть небольшой. Возможно, что именно так развиваются зимние грозы, в которых наблюдается весьма большая концентрация ледяной крупы.

Роль зарядов крупы должна, вообще говоря, ограничиваться со­ зданием поля вблизи границы области сухого роста, так как ниже этой границы механизмы электризации проявляются иным образом. Вследствие большой проводимости облачного воздуха эти заряды не могут длительно сохраняться на крупе и должны нейтрализо­ ваться несколько ниже границы области сухого роста.

В области мокрого роста может действовать механизм заряже­ ния, заключающийся в контакте облачных капель с поверхностью смоченных градин, т. е. контакт вода—лед. Поэтому расчеты за­ ряжения могут быть выполнены по формуле (126) с константами, принятыми выше, и Кк=0,1 В. Результаты этих расчетов для гро­ зовой и градовой моделей приведены на рис. 74. Согласно рисунку, для грозовой модели максимальный заряд градин на уровне изо­ термы 0°С равен 4* 10_п Кл, а для градовой 1,5- 10_э Кл. Средние заряды градин в сферах радиусом 1000 м, расположенных над уровнем изотермы 0°С, равны примерно 2 - 10-11 и 1,1 • ІО-9 Кл со­ ответственно. Для принятых выше значений интенсивности осадков для грозовой и градовой моделей средние концентрации градин в сферах составляют около 5 и 0,2 м_3 соответственно. Следова­ тельно, на границе сферы напряженность поля для грозовой модели примерно 4- ІО3 В/м, а для градовой — около 1,2 • 104 В/м.

При вычислении напряженности поля, создаваемого в ре­ зультате действия контактного механизма электризации, не

297

учитывалась высокая проводимость в грозовых облаках. Если при­ нять, что в области мокрого роста проводимость порядка 10~13См/м, то вычисленные значения следует уменьшить по крайней мере в 3 раза. Вместе с тем возможно, что контактная разность потен­ циалов значительно выше — может быть, даже на целый порядок. Поэтому можно полагать, что напряженность поля, создаваемого

зации, увеличивая число заряженных капель в облаке, не будет значительно влиять на скорость роста напряженности поля.

Существуют два вида спонтанного разрушения капель — гантеле- и грибообразное. Заряд, образующийся при гантелеобразном разрушении, мал по сравнению с зарядом, образующимся при гри­ бообразном разрушении. Насколько можно судить по данным раз­ ных авторов, частота грибообразного разрушения капель мала по сравнению с частотой гантелеобразного разрушения. Поэтому об­ щий заряд, который может образоваться в результате этого меха­ низма электризации, будет небольшим по сравнению с зарядом, об­ разующимся благодаря механизму электризации при соударении градин с каплями в электрическом поле. Необходимо еще учесть, что скорость разделения зарядов при спонтанном разрушении ка­ пель в несколько раз меньше, чем при соударении градин с кап­ лями. Поэтому можно полагать, что скорость генерации зарядов незначительно изменится за счет механизма электризации при спон­ танном разрушении капель в электрическом поле.

Рассмотрим изменение поля, начиная с какой-то начальной на­ пряженности Ео\ допустим, что основным механизмом генерации

298

зарядов в принятых выше моделях грозовых облаков является электризация при соударении градин с каплями в электрическом поле [143, 451а].

Заряд, который образуется за единицу времени на градине ра­ диусом гг при соударениях с каплями радиусом гк, имеющими рас­ пределение по размерам п(гк), будет равен

ветственно; t — время.

Учитывая, что согласно [130] заряд qK(ri<) пропорционален Е,

r m In

Ввиду отсутствия достаточных сведений о спектре крупных ка­ пель в грозовых облаках будем считать, что он слабо меняется со временем, и тогда можно положить А\ = const. Но так как часть за­ ряда градины будет уноситься срывающимися с нее каплями, (129) примет следующий вид:

где f — частота срыва капель с градины; qc— заряд, уносимый каплей.

Таким образом будет происходить непрерывное перераспределе­ ние зарядов между каплями и градинами, и поле будет зависеть не только от зарядов градин, но и от зарядов, унесенных каплями. Можно считать, что

Если предположить, что некоторая сфера радиусом R равно­ мерно заполнена градинами, радиус которых гк одинаковый, а кон­ центрация N постоянная, то с учетом (130) и (131) и утечки

299

зарядов за счет проводимости dQrJdt, заряд сферы за время dt окажется равным

Если теперь еще учесть заряды QK сорвавшихся с градин капель, находящихся в пределах сферы радиусом R, то напряженность поля на ее границе будет равна

где

Л 4 = 1 / і ^ с р .

Поле внутри облачной сферы неоднородно, так как концентра­ ция капель не является постоянной по объему. Кроме того, вслед­ ствие большой турбулентности в грозовых облаках концентрация капель, а вместе с тем и поле должны претерпевать сильные флук­ туации, сведений о которых нет. Поэтому необходимо ввести ка­ кое-то упрощающее допущение относительно поля внутри сферы. Так как размеры сферы выбираются сравнительно небольшими (#=1000 м), примем напряженность поля внутри сферы одинако­ вой во всех точках и равной половине ее значения на границе сферы. В этом случае можно положить # Ср= ’/2#.

Для решения (133) необходимо знать значение QK. Оно, со­ гласно [143, 451а], может быть определено из уравнения

Здесь Хэф — эффективная проводимость.

Учитывая (132), (134), (135) и (136), в результате преобразо­ ваний (133) получаем

300

где

В\ =2тсХЭф -|- А г— А 2А Л

и

где осі и аг — корни уравнения a2+ B ia + B 2 = 0\ Сі и С2 — постоян­ ные, определяемые из начальных условий.

Используем уравнение (138) для оценки времени, необходимого

ческого поля Et, необходимый для возникновения грозового раз­ ряда, (3-^6) • ІО5 В/м, тогда как послеразрядная напряженность поля Ео, которая является начальной для развития следующего разряда, находится в пределах (2ч-4) • ІО4 В/м. Проводимость в грозовых облаках велика, ее реальные пределы ІО-14—ІО-12 См/м. Размеры сферы не должны превышать размеры грозовой ячейки, но должны быть больше размеров отдельных неоднородностей, так что можно принять, что радиус сферы равен 1000 м. Данные о разме­ рах и концентрациях градин и частоте срывания капель с них вы­ бираются согласно грозовой и градовой моделям, рассмотренным в разделе 2.1.9. Наконец, предполагается, что радиусы капель, сры­ вающихся с градин, одинаковы: гк=1 мм.

Как следует из табл. 56, время, необходимое для возникновения очередного разряда в грозовой модели кучево-дождевых облаков, находится в пределах 100—300 с, если проводимость не превышает ІО-13 См/м. При значениях проводимости порядка 10-12 См/м меха­ низм электризации в сравнительно слабо развитых кучево-дожде­ вых облаках оказывается недостаточно эффективным для возникно­ вения грозовой деятельности. Полученные значения времени можно считать реальными для большинства сравнительно слабых гроз.

Для грозовой модели кучево-дождевых облаков со значительной интенсивностью осадков время между разрядами лежит в пределах 10—30 с. Эти значения характерны для интенсивных гроз. Здесь также наблюдается зависимость времени между разрядами от про­ водимости, однако она менее сильно выражена, чем для слабых гроз.

Анализ данных табл. 56 показывает, что полученные значения времени, необходимого для возникновения очередного разряда, имеют тот же порядок, что и наблюдаемые для гроз средней интен­ сивности и для весьма интенсивных гроз. Принимая на поверхности сферы # = 1000 м значение Екр= 6- ІО5 В/м, получаем, что в ней на­ капливается заряд около 70 Кл. Если теперь считать, что разряд в облаке имеет протяженность около 2 км, то электрический

301

ответствуют значениям, наблюдаемым в грозовых облаках. Таким образом, развитая выше схема позволяет получить приближенные

электричества, и в первую очередь особенностями условий обра­ зования свободных зарядов в облаках.

В последнее время подобные взгляды на образование грозового электричества стали развивать Левин и Скотт [395а, 3956].

При разряде происходит нейтрализация свободных зарядов в грозовых облаках. Для того чтобы произошел очередной разряд, необходимо появление объемных зарядов, достаточных для образо­ вания критического поля разряда. Существуют различные мнения о том, каким образом осуществляется образование объемных заря­ дов. Так, Мейсон [115] считает, что в облаке постепенно накапли­ ваются большие, одинаковые по величине заряды обоих знаков, причем на больших частицах — заряды одного знака, а на мень­ ших— другого. После разряда в результате опускания больших ча­ стиц относительно меньших происходит разделение зарядов: внизу появляется свободный заряд одного знака, а вверху — противопо­ ложного. Другого мнения придерживается И. М. Имянитов [77]. Он считает, что в условиях больших концентраций частиц с зарядами противоположных знаков и интенсивной турбулентности будет про­ исходить быстрая нейтрализация зарядов. Кроме того, при непо­ средственных измерениях в Cu cong. [61] не было обнаружено на­ копление зарядов, на которое рассчитывал Мейсон [115]. Поэтому заряды обоих знаков могут существовать только при их непрерыв­ ной генерации. Именно этим объясняется необходимость больших скоростей образования зарядов в грозовых облаках. Точку зрения Имянитова следует считать более обоснованной и отвечающей при­ роде грозовых облаков, чем мнение Мейсона.

302

Глава 5

ПРОБЛЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ГРОЗОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Одной из важнейших практических задач физики атмосферы наряду с воздействиями на облака с целью борьбы с градом и для регулирования осадков, наряду с рассеянием туманов и низких' об­ лаков является воздействие на кучево-дождевые облака для пре­ дупреждения или прекращения грозовой деятельности. Воздействия на грозу можно подразделить на две категории:

1) воздействия непосредственно на электрические характери­ стики кучево-дождевого облака с целью искусственного разряже­ ния заряженных областей и уменьшения напряженности поля; ■

2) воздействия на микро- и макрофизические характеристики кучево-дождевого облака, которые должны привести к изменению процессов электризации и прекращению грозовой деятельности.

5.1. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОЗОВЫХ ОБЛАКОВ

Одно из первых заслуживающих упоминания предложений по воздействию на грозовое электричество принадлежит Воркмену и Рейнольдсу [584]. Исходя из своей теории грозового электричества, согласно которой электрические заряды образуются при частичном замерзании дождевых капель, представляющих собой слабые ра­ створы солей, на поверхности градин, они предложили изменять концентрацию солей в дождевой воде. Так как величина и знак за­ рядов сильно зависят от концентрации и состава солей, Воркмен и Рейнольдс считают вполне достаточным сбрасывать в кучево-дож­ девое облако 250 кг солей аммония, которые настолько изменят электризацию, что разделение зарядов не сможет обеспечить обра­ зование электрического поля, необходимого для разрядов. В даль­ нейшем Воркмен [582] уточнил эти расчеты и указал на то, что наиболее убедительным результатом воздействия явилось бы изме­ нение характеристик грозового облака, а не уменьшение грозовой деятельности.

По мнению Воркмена [582], для воздействия на кучево-дождевое облако, содержащее ІО8 кг воды, требуется около 1000 молей для получения концентрации реагента 10-5 М. Наиболее действенным

304

реагентом он считает безводный аммиак, около 20 кг которого необходимо для получения концентрации ІО-5 М. При такой кон­ центрации должно произойти ослабление электризации и грозовой деятельности. Если желательна перемена полярности облака, то необходимо достигнуть концентрации ІО-4 М, т. е. в облако следует сбросить около 200 кг безводного аммиака.

Воркмен и Рейнольдс [584] предприняли попытку эксперимен­ тально проверить свои представления. При полетах в Нью-Мексико они сбрасывали в грозовые облака раздробленные соли аммония. Результаты всего двух опытов не позволили сделать вывод об успешности этих опытов, однако они вселили уверенность в пра­ вильности избранного авторами пути. Поэтому Воркмен и Рей­ нольдс поставили перед собой задачу выполнить большое количе­ ство подобных опытов, что дало бы возможность оценить эффек­ тивность воздействия. Но в дальнейшем сообщения о таких опытах больше не поступали. Причина этого заключается, возможно, в том, что Рейнольдс изменил свою точку зрения на природу грозового электричества в результате обоснованной критики. В частности, указывалось, что грозовые облака при их развитии над индустри­ альными районами подвергаются интенсивному воздействию посто­ ронних примесей. Однако грозовая деятельность над такими райо­ нами не претерпевает заметных изменений по сравнению с грозовой деятельностью в районах с аналогичным климатом, но без инду­ стриальных загрязнений атмосферы.

К представлению о возможности воздействия на генерацию электричества в кучево-дождевых облаках с помощью тех или иных примесей пришли также Л. Г. Качурин и др. [82]. Они основыва­ ются на своих опытах, из которых следует, что даже небольшие из­ менения в концентрациях кислот и оснований, приводящие к изме­ нениям pH растворов, оказывают сильное влияние на интенсивность электризации капель, разрушающихся при замерзании. Однако Ка­ чурин м его коллеги не приводят никаких сведений о типе реаген­ тов и их расходах, требующихся для получения положительного эффекта в естественных условиях.

Интересный метод воздействия на грозу, получивший дальней­ шее развитие в работах Каземира и Вейкмана [357, 564], предложен Вейкманом [563а]. Он исходит из представления, что молния начи­ нается с коронного разряда на частицах осадков. Если воздейство­ вать на поле кучево-дождевого облака таким образом, чтобы раз­ рядить облако и понизить напряженность до значения, при котором не сможет возникнуть коронный разряд, то тем самым будет ис­ ключена вероятность инициирования грозовых разрядов. В качестве разрядников, уменьшающих напряженность электрического поля облака, Вейкман предлагает металлизированные мякину или ней­ лоновые нити.

Каземир и Вейкман [357] выдвигают три условия, необходимые для успешного воздействия на грозовые облака:

1) коронный разряд на металлизированных нитях (линейных разрядниках) должен происходить при напряженности электриче­

ского поля более низкой, чем напряженность, необходимая для возникновения грозовых разрядов;

2)суммарный ток для коронного разряда с линейных разряд­ ников должен быть того же порядка или предпочтительно больше тока, рассеиваемого молниями;

3)линейные разрядники должны быть внесены в соответствую­ щее место и в соответствующее время в грозовое облако.

Все эти три условия были ими рассмотрены.

Каземир и Вейкман [357] вычислили увеличение напряженности поля на концах линейного разрядника, представляемого в виде тонкого вытянутого эллипсоида вращения. Они получили весьма простую приближенную формулу

где с и а — соответственно большая и меньшая полуоси эллипсоида, причем с/а = £; Е0 и Е — соответственно напряженность внешнего поля и на концах линейного разрядника.

Если считать, так же как авторы [357], что для разряда в облаке необходима напряженность 3-10е В/м, то для нитей мякины с с =

(139) имеет слишком приближенный характер и зависимость Е от k представлена слишком грубо. Действительно, на основании лабо­ раторных исследований зависимости критической напряженности коронного разряда от k, выполненных Каземиром [357], оказыва­

(139). Кроме того, обнаруживается, что зависимость от k является не линейной, а более сложной. Это подтверждается результатами лабораторных исследований В. М. Мучника и др. [138] с металли­

происходит уменьшение критической напряженности Екѵ от 6,2 • ІО5 до 1,5-ІО5 В/м. Так что при увеличении k более чем в 10 раз Екр уменьшается примерно в 4 раза. Поэтому необходимо найти

Как известно, для возникновения разряда необходимо, чтобы электроны получили ускорение, достаточное для ионизации моле­ кул воздуха и образования лавины. Однако если протяженность зоны с напряженностью поля, достаточной для придания электро­ нам необходимого ускорения, будет небольшой, то лавина не ра­ зовьется и разряд не сможет осуществиться. Для возникновения разряда недостаточно, чтобы в какой-то точке напряженность поля

306