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

ронного разряда существенную роль играет не только абсолютное значение напряженности поля, но и ее градиент. Очевидно, что при больших градиентах напряженности поля на поверхности тела для возникновения разряда требуется более высокая напряженность, чем при малых градиентах.

Напряженность поля вблизи конца эллипсоида должна очень быстро убывать с расстоянием. Конец реального линейного разряд­

Для определения Екр необходимо пользоваться данными Вейкмана [564], В. А. Дячука и В. М. Мучника (рис. 75).

Вейкман [564] на основании лабораторных исследований зави­ симости силы тока от напряженности поля пришел к выводу, что она хорошо описывается формулой, полученной Чепменом [264] для тока коронного разряда с антенны радиозонда для измерения на­ пряженности поля:

ионов; Е — напряженность поля в облаке; ѵ — скорость движения антенны относительно воздуха; £ Кр — критическая напряженность

возникновения коронного разряда; 2а — длина антенны. Для случая выбрасывания тонких нитей можно положить ѵ ~ О, и тогда выра­ жение (140) значительно упростится:

женность поля, которую измерил Каземир в основании единичной грозовой ячейки), то і= 4,68• 10~6 А. Таким образом, достаточно сбросить в кучево-дождевое облако ІО6 нитей, чтобы ток коронного разряда достиг 4,7 А, т. е. величины, сопоставимой с током, генери­ руемым грозой. Так как 1 кг мякины содержит до 5- ІО6 нитей, то достаточно сбросить в облако всего несколько килограммов, чтобы добиться необходимого эффекта. Таким образом, второе условие также выполняется.

По мнению Каземира и Вейкмана [357], в грозовом облаке су­ ществуют две области, воздействие на которые должно приводить

кнаибольшему эффекту. Первая область находится в верхней части облака между зонами положительных и отрицательных за­ рядов, где напряженность поля в облаке максимальная и где воз­ никают внутриоблачные грозовые разряды. Вторая область воздей­ ствия находится ниже отрицательно заряженной части облака и нижнего положительного заряда, где формируются молнии, идущие

кземле. Однако до получения статистически обоснованных экспе­ риментальных данных нельзя считать, что имеются условия для удовлетворения третьего требования.

Каземир и Вейкман выполнили в 1964 г. пять опытов, во время которых сбрасывалась мякина в грозовые облака и производилось измерение напряженности поля. Техника проведения опытов заклю­ чалась в следующем. С самолета каждые полсекунды сбрасывался пакет, содержавший около 2- ІО6 нитей. Это время соответствовало отрезку пути в 50 м. Обычно в течение одного опыта сбрасывалось 50—60 пакетов. Для установления наиболее выгодного места сбра­ сывания мякины экспериментаторы с самолета, летевшего непо­ средственно под основанием хорошо развитого кучево-дождевого облака, определяли положение, в котором наблюдалась максималь­ ная напряженность поля, превышающая 2 • 104 В/м. После разво­ рота самолета производилось сбрасывание по тому же пути полета. Затем самолет продолжал некоторое время повторять полеты по

той же трассе для оценки результатов воздействий. Каземир и Вейкман считают, что в трех опытах отчетливо проявился поло­ жительный эффект засева (даже тогда, когда гроза находилась в стадии развития). В четвертом случае после засева произошел разряд молнии, и уменьшение напряженности поля могло быть вы­ звано этим разрядом, а не засевом. В пятом опыте засев был про­ изведен в значительной степени под наковальней, вне главного ствола облака, и в этом случае уменьшение поля не наблюдалось.

308

Результаты записи напряженности электрического поля при успешных опытах представлены на рис. 76. На графиках по оси ор­ динат отложена вертикальная составляющая напряженности поля, а по оси абсцисс — время. В среднем требовалось около 3 мин для разворота самолета на 180°. Как видно из данных для 22 июля (рис. 76 а), при пролете через участок воздействия (3) примерна через 5 мин после окончания засева произошло значительное умень­ шение напряженности поля по сравнению с напряженностью, изме­ ренной при сбрасывании мякины. Особенный интерес представляют результаты полета 31 июля (рис. 76 б), когда удалось несколько1

В)

(кривая /), напряженность в процессе сбрасывания практически не изменялась. Зато после разворота самолета и пролета через уча­ сток воздействия (3) наблюдалось ее заметное уменьшение. Осо­ бенно успешным оказался повторный засев, результаты которого представлены кривыми II и III. В этом случае произошло значи­ тельное уменьшение напряженности поля на участке воздействия по сравнению с напряженностью во время засева (1). В последую­ щем напряженность на участке засева стала несколько расти, но и во время пятого пролета она не выросла до значения перед воз­ действием. Засев 1 августа (рис. 76 в) был выполнен при напря­ женности поля около 4 • ІО4 В/м. Было обнаружено, что сразу после засева возник интенсивный коронный разряд, так как обнаружи­ лась весьма сильная осцилляция поля. Кроме того, экран радио­ локатора сопровождения каждый раз при входе самолета на уча­ сток засева забивался помехами, вызванными высокочастотным шумом. К сожалению, из-за неисправности полемера нельзя было обнаружить падение напряженности поля после засева.

На основании рассмотренных выше опытов Каземир и Вейкман пришли к выводу, что поле грозы изменялось в результате воздей­ ствий. Однако они считают, что для увеличения эффективности

30&

этого метода воздействия необходимо получить более реальную мо­ дель генерации электрического поля в грозовых облаках, а также улучшить способы засева. Необходимо рассеивать линейные раз­ рядники непрерывно и по большей площади, так как полосы дли­ ной 3 км и шириной около 50 м составляют очень малую часть площади основания грозового облака.

Представления Вейкмана и Каземира встретили возражения. И. М. Имянитов и др. [74] считают, что если учесть высокую про­ водимость в грозовых облаках, то необходимо вызвать коронный ток силой не 1 А, а около 100 А. Поэтому для изменения напряжен­ ности поля потребуется не ІО6, а ІО8 острий. Если еще учесть влия­ ние турбулентности на рекомбинацию ионов, образующихся при коронном разряде, то потребуется около ІО9 острий. Необходимо, однако, отметить, что в своих расчетах Имянитов и др. исходили из того, что 5- ІО3 острий из мякины весят 1 кг, тогда как согласно Каземиру [356] на 1 кг приходилось 5 - ІО6 острий, т. е. в действи­ тельности на облако требуется всего около 100 кг мякины.

Возражения Имянитова, безусловно, весьма существенны, и по­ этому представления Вейкмана и .Каземира о механизме воздейст­ вия следует пересмотреть. Действительно, с позиции Вейкмана и Каземира для изменения поля во всем грозовом облаке потребуется огромное количество разрядников. Задача оказывается технически невыполнимой. Но законно встает вопрос: для изменения поля гро­ зового облака необходимо воздействовать на все облако или по крайней мере на значительную его часть или достаточно воздейство­

И. М. Имянитов и К. С. Шифрин [77]), инициирование грозовых разрядов происходит в небольших объемах с высокой концентра­ цией заряженных частиц, где напряженность поля достигает крити­ ческого значения. Поэтому нет необходимости воздействовать на значительные объемы грозового облака, а достаточно разряжать эти сравнительно небольшие объемы. Следует еще учестщ что гро­ зовое облако является неустойчивой системой и что генерация за­ рядов, по-видимому, зависит от напряженности поля. Если более или менее существенно нарушить естественный ход напряженности поля в области генерации, то может произойти соответствующее изменение образования зарядов и напряженность поля, необходи­ мая для возникновения разрядов, не будет достигнута. Следует также учитывать, что коронный разряд с системы близко располо­ женных острий происходит при меньшей критической напряжен­ ности поля, чем с отдельного острия, поэтому воздействие будет особенно эффективным, если разрядники будут располагаться в об­ лаке сравнительно компактной массой, т. е. до их значительного рассеяния по объему облака. Возможно, что именно этим объясня­ ются положительные результаты некоторых опытов Вейкмана и Ка­ земира.

Как сообщает Ю. С. Седунов [167], в США в группе Фиквея по­ лагают, что при перекристаллизации переохлажденной части облака

310

с образованием большого числа кристаллов создаются условия для возникновения коронного разряда с этих кристаллов, для увеличе­ ния проводимости и соответствующего уменьшения напряженности электрического поля в облаке. Был выполнен ряд опытов, в кото­ рых производился засев грозовых облаков йодистым серебром с земли или самолета. В серии из 26 рандомизированных опытов, в которых засев производился в 12 случаях, а в 14 не произво­ дился, был получен положительный эффект. Так, на основании ста­ тистической обработки данных наблюдений для одной грозы число разрядов на землю для случаев с засевом уменьшилось с 57,9 до 19,3. В то же время почти полностью исчезли длительные разряды. Вместе с тем Седунов сообщает, что мнение многих специалистов в области атмосферного электричества по этому поводу отрицатель­ ное. Они считают, что появление большого числа ледяных кристал­ лов должно привести к усилению грозовой деятельности, а не к ее ослаблению. Заметим еще, что в группе Фиквея считают, по-види­ мому, что проводимость в грозовых облаках мала и что ее можно заметно увеличить. Но, как известно, в грозовых облаках проводи­ мость весьма велика.

Рассмотрение представлений Вейкмана и Фиквея показывает, что они базируются на одних и тех же закономерностях. Если учесть, что в электрическом поле должен произойти поворот ледя­ ных частиц в направлении сил поля (В. М. Мучник и др. [138]) и что множество кристаллов благодаря взаимодействию друг с дру­ гом понижают критический потенциал зажигания коронного раз­ ряда в большей степени, чем единичный кристалл, то можно ожи­ дать положительный эффект при засеве грозовых облаков. Так как

жен происходить при меньших критических напряженностях поля,

электрических зарядов, генерируемых у поверхности земли. Так как, согласно Грене и Воннегуту (см. раздел 4.11), электрическое состояние мощных кучевых облаков обусловливает развитие грозы, то, соответствующим образом влияя на электрическую структуру мощных кучевых облаков, можно воздействовать на условия обра­ зования грозы.

Для генерирования зарядов Воннегут и Мур [558], Воннегут и др. [562] использовали явление коронирования с тонкой прово­ локи, находящейся под высоким напряжением. Для более интенсив­ ного и, главное, направленного внесения зарядов в облака Колгейт (см. в [550]) осуществил подачу ионизированного воздуха через по­ лиэтиленовую трубу длиной 350 м. При слабом ветре труба уста­ навливалась почти вертикально под действием напора воздуха, на­ гнетаемого мощным вентилятором.

311

Но эти эксперименты, выполненные со слаборазвитыми куче­ выми облаками, не могли дать какое-либо подтверждение представ­ лениям Воннегута и Мура, так как схема грозового электричества Грене и Воннегута не может претендовать на достоверность: основ­ ные заряды грозы образуются не за счет объемных зарядов атмо­ сферы, а в результате процессов электризации при росте гидроме­ теоров в кучево-дождевых облаках. Поэтому, чтобы изменить элект­ рическую структуру грозовых облаков, необходимо воздействовать на них токами, равными по силе токам, генерируемым грозой, т. е. токами, сила которых на 4—5 порядков больше, чем в опытах Вон­ негута и Мура.

Здесь нет необходимости останавливаться на традиционных ме­ тодах грозозащиты с помощью молниеотводов. Им уделено доста­ точно внимания в специальной литературе. Однако в процессе рас­ смотрения этих методов был разработан метод «дренирования» грозовых облаков, заключающийся в отводе электричества из обла­ ков на землю по безопасным каналам.

Так как сила тока грозового генератора достигает нескольких ампер, для дренирования необходимо создать условия для противо­ тока такой же силы между облаком и землей. И. С. Стекольников [173] указывает, что такой противоток не может быть обеспечен от­ дельными металлическими каналами (например, тросами аэроста­ тов), поскольку из опытов, проведенных Стекольниковым и другими авторами, следует, что при подъеме заземленного троса на высоту 1—2 км грозовые разряды из облака не прекращались.

Попытки создать противоток с помощью острий в поле грозо­ вого облака также не достигают цели. Это следует из того, что над большими городами, где достаточно много острий, грозовая дея­ тельность не претерпевает каких-либо заметных изменений. При­ чиной малого влияния острий могут оказаться объемные заряды, которые образуются в пространстве между облаками и землей и ослабляют ток истечения с острий. Кроме того, снос ионов вет­ ром может привести к тому, что они не достигнут основания об­ лака, тем более что к моменту возникновения грозы в облаке раз­ виваются нисходящие токи воздуха.

Если в достаточной степени увеличить проводимость воздуха между основанием облака и землей, то между ними возникнет противоток, который приведет к ослаблению электрического поля. Расчеты показывают, что при использовании в качестве иониза­ торов радиоактивных элементов и рентгеновского излучения нельзя существенно изменить проводимость значительного слоя воздуха между облаком и землей. Некоторая надежда возлагается на ла­ зеры высокой мощности, способные интенсивно ионизировать воз­ дух [457].

Хотя методы дренирования зарядов грозовых облаков с пре­ вентивной целью кажутся технически невыполнимыми, представ­ ляет, по-видимому, интерес возможность их локального примене­ ния. Под этим следует понимать отвод зарядов из какого-либо участка облака, например, для защиты важных объектов на огра­

■312

ниченных участках или для защиты ракет при их движении в об­ лаке. Исследования, выполненные с ракетами, несущими зазем­ ленную проволоку, привели Ньюмена [455, 456, 457] к выводу, чтолокальное дренирование грозовых облаков представляет практиче­ ский интерес для грозозащиты. Он отмечает, что положительный эффект был обнаружен над Атлантическим океаном и не обнаружи­ вался другими авторами над сушей. Возможно, причиной такогонесоответствия являются объемные заряды, которые образуются при истечении с острий на суше, что было подтверждено лабора­ торными экспериментами. Положительный эффект, полученный Ньюменом, заключается в том, что при быстром движении прово­ локи на ее конце не успевает образоваться экранирующий объ­ емный заряд.

5.2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ГРОЗОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ

НА МИКРО- И МАКРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫХ ОБЛАКОВ

Л. М. Левин и Н. И. Вульфсон [395] показали, что, используя естественную неустойчивость конвективных облаков, можно раз­ рушать их, инициируя в этих облаках слабые импульсы нисходя­ щих токов. Авторы [395] получили, что если в развивающихся кон­ вективных облаках искусственно создать импульсы нисходящих токов достаточной мощности, то в них разовьются интенсивные нисходящие токи, которые приведут не только к прекращению раз­ вития облака, но и к существенному, а то и к полному его раз­ рушению. Левин и Вульфсон сообщают о девяти опытах, проведен­ ных в конвективных облаках мощностью до 5—6 км. Импульсы нисходящих токов создавались турбовинтовыми самолетами в ре­ жиме кабрирования на больших углах. Во всех этих экспериментах в среднем примерно через 5—10 мин после полетов самолетов, вы­ зывающих импульсы нисходящих токов, облака распадались на части или значительно опускались их вершины, или наблюдалось, полное разрушение облаков. Эти опыты также подтвердили, что чем интенсивнее было развитие облаков до воздействия, тем быст­ рее и с большим охватом происходило их разрушение.

В свою очередь, основываясь на результатах полевых иссле­ дований разрушения небольших кучевых облаков при воздействии грубодисперсными аэрозолями (И. И. Гайворонский [27]) и лабора­ торных исследований взаимодействия гидрофильных и гидрофобных грубодисперсных аэрозолей с капельками воды (Л. И. Бодунова и др. [14]), И. И. Гайворонский пришел к выводу о возможности воздействия такими реагентами на грозовые облака с целью их разрушения.

Для проверки этих предположений Гайворонский и др. [305] выполнили большой ряд опытов по воздействию на развитые ку­ чево-дождевые, в основном грозовые, облака.

313

Механизм действия грубодисперсных аэрозолей на мощные ку­ чевые и кучево-дождевые облака заключается в следующем. При сбрасывании в вершину облака аэрозолей происходит их смачи­ вание и быстрый рост вследствие коагуляции с облачными ка­ пельками. При падении крупные капли увлекают за собой воздух, в результате чего в вершину начинает поступать более холодный воздух, что приводит к уменьшению скорости восходящего тока. Ослабление восходящего тока и особенно образование нисходящих токов приводят к опусканию капель, которые ранее были уравно­ вешены восходящим током. Вследствие этого произойдет дальней­ шее ослабление восходящих токов и т. д., вплоть до разрушения конвекции и рассеяния облака.

То, что воздействие грубодисперсными аэрозолями в конечном

•счете является воздействием на систему восходящих токов в кон­ вективных облаках, подтверждается следующим обстоятельством: при воздействии на слоистые облака, для существования которых не требуются интенсивные восходящие токи, пли на туманы поло­ жительный эффект не наблюдается. В то же время воздействия порошкообразным СиО на мощные кучевые облака с вертикальной мощностью до 5 км, в которых существуют сравнительно интен­ сивные восходящие токи, оказались успешными. Частицы СиО имели размеры от 50 до 100 мкм, и их плотность была примерно в 2 раза больше плотности цемента. Оказалось, что для достижения положительного эффекта воздействия этим реагентом достаточно расходовать значительно меньше 1 кг на 1 км3 облака. Так, в 40 из 65 опытов, в которых был зафиксирован положительный эф­ фект, расход реагента СиО составлял от 0,2 до 0,4 кг на 1 км3 об­ лака. Таким образом, эти эксперименты подтвердили, что порошко­ образные реагенты действуют именно на конвективные облака, нарушая систему восходящих токов воздуха, которая им свой­ ственна. По мнению авторов [305], из опытов с мощными куче­ выми облаками следует, что для их рассеяния достаточно вызвать

•сравнительно слабый импульс нисходящих токов, который разви­ вается и охватывает все облако.

И. И. Гайворонский и др. [27, 305] приводят сведения о 68 опы­ тах по воздействиям в основном на развивающиеся внутримассо­ вые и фронтальные грозовые облака, а также на индивидуальные облака СЬ саіѵ. и СЬ cap. У большей части облаков вершины на­ ходились на высотах от 6,5 до 12 км, а температура окружающего воздуха на этих уровнях составляла от —20 до —53° С. Засев про­ изводился в наиболее развитые облака среди наблюдаемых. Для засева использовались порошки цемента и белой глины (гумбрин) высокой дисперсности, с удельной поверхностью 400 м2/кг. Размеры частиц от 5 до 50 мкм. В облака сбрасывалось от 8 до 56 кг реа­ гента в зависимости от их вертикальной мощности. Сбрасывание реагента производилось в те части кучево-дождевых облаков, ко­ торые имели признаки наличия жидкой фазы. Обычно это были части облака, находящиеся под наковальней, или вершины разви­ вающихся ячеек, прорывающиеся через наковальню. Авторы счи­

314

тают, что в 66 из 68 случаев воздействий был получен положи­ тельный эффект, заключающийся в прекращении роста облака,, диссипации вершины и расслоении капельно-жидкой части. Обычно разрушение облаков происходило в течение 10—30 мин. При этом

В табл. 57 приведены данные 19 успешно выполненных опы­ тов в Алазанской долине (Грузинская ССР). Эти данные авторы сопоставляли с данными естественного развития контрольных обла­ ков, обнаруженных вблизи. Была отмечена высокая эффективность порошкообразных реагентов для разрушения кучево-дождевых (грозовых) облаков, даже если их вершины росли со скоростью до 10 м/с. Сопоставление результатов воздействия порошкообраз­

чем второй. Радиолокационные наблюдения за крупнокапельными зонами до и после воздействий обнаружили большую эффективность воздействий, так как после них зоны разрушались.

Остается, однако, пожалеть, что опыты, выполненные И. И. Гай­ воронским и др. [305], не сопровождались прямыми наблюдениями за электрическим полем грозовых облаков и частотой разрядов, ко­ торые характеризуют грозовую деятельность. По-видимому, только такие наблюдения могут быть безусловно доказательными, и на их основании можно оценить эффективность воздействия на грозу. Действительно, при анализе данных табл. 57, сколь инте­ ресными они ни являются, возникают некоторые сомнения, кото­ рые желательно было бы устранить. Так, время диссипации ку­ чево-дождевых облаков, согласно этой таблице, составляет в сред­ нем 18 мин, тогда как среднее время естественного разрушения очагов около 11 мин (М. Л. Маркович и др. [113], Т. Н. Заболоц­ кая и В. М. Мучник [49]). Таким образом, можно предположить, что в ряде случаев, приведенных в таблице, диссипация происхо­ дила не за счет воздействия, а в результате естественного хода развития кучево-дождевых облаков.

В заключение заметим, что существуют успешные попытки оп­ ределить результаты воздействия порошками на электрические ха­ рактеристики теплых конвективных облаков (Н. В. Красногор­ ская [94]). В опытах, описанных Красногорской, один самолет за­ севал облака реагентом, а второй измерял объемный заряд. Было получено, что при засеве теплых конвективных облаков сыпучими веществами их объемный заряд уменьшается. Таким образом, ре­ зультаты данных опытов в какой-то степени подтверждают пред­ ставления И. И. Гайворонского о влиянии засева порошком куче­ во-дождевых облаков на их электрическую активность.

Можно показать, что не только воздействия, в результате ко­

315