9.2. Накопление зарядов в грозовом облаке

Грозовые облака (кучево-дождевые) про­стираются на высоте до 15 км, а их основа­ние находится на высоте 0,3-3,5 км. Грозо­вое облако представляет собой громадную «вытяжную трубу», в которой потоку воз­духа по мере его подъема непрерывно сооб­щается дополнительное тепло, поэтому в зоне облака он всегда теплее, чем вне его. По мере вертикального восхождения потока воздуха в нем происходит конденсация водя­ных паров, при которой выделяется тепло, затем происходит замерзание капель, также сопровождающееся нагревом окружающего воздуха.

В верхней части грозовое облако может состоять из снежинок, кристаллов льда, ледяной или снежной крупы, градин. Ниж­няя часть, находящаяся при температуре выше 0ºС, состоит обычно из крупных капель воды и поэтому выглядит очень темной.

Площадь основания грозовых облаков, образующихся в летнее время в результате нагрева земной поверхности (тепловые грозы), составляет несколько квадратных километров Если грозовые облака возни­кают на границе раздела теплых и холодных воздушных масс (фронтальные грозы), то занимаемая ими площадь составляет полосу шириной до 15 км и длиной десятки и даже сотни километров

Громадная масса воды и льда удержива­ется в грозовом облаке восходящими воз­душными потоками, скорость которых сос­тавляет 5—30 м/с. Эти потоки увлекают нагретый у поверхности земли воздух и тем самым снабжают грозовое облако теп­ловой энергией, часть из которой затем преобразуется в электрическую.

Таким образом, фазе молнии предшест­вует процесс электризации частиц воды и льда, разделения и накопления электриче­ских зарядов в грозовом облаке.

Имеется множество теорий электриза­ции капель воды и кристаллов льда в грозо­вых облаках, в большинстве своем нашед­ших подтверждение в лабораторных иссле­дованиях. В грозовом облаке могут действо­вать несколько механизмов электризации в зависимости от стадии развития облака и агрегатного состояния воды в нем.

Рассмотрим два механизма, характерных для нижней части грозового облака при тем­пературе выше 0ºС и для частей облака расположенных выше нулевой изотермы.

Рис. 9.2. Процесс разделения зарядов в облаке при положительных температурах воздуха

Рис. 9.3. Процесс разделения зарядов в облаке при отрицательных температурах

В основу механизма электризации, действующего при положительной темпе­ратуре, положено дробление крупных дож­девых капель в восходящем потоке воздуха. На границе капли воды и окружающего ее воздуха образуется так называемый двой­ной электрический слой, при этом поверх­ность капли имеет отрицательный заряд (рис. 9.2). В восходящем воздушном потоке при скорости v около 8 м/с водяная капля расплющивается, теряет устойчивость и дробится. Мелкая водяная пыль, сорванная с поверхности капли, оказывается отрица­тельно заряженной и уносится вверх. Крупные элементы капли остаются в ниж­ней части облака и несут на себе положи­тельный заряд.

Механизм электризации при отрицатель­ных температурах связан с процессом замер­зания капель воды. Замерзание начинается с поверхности капли, которая покрывается коркой льда (рис. 9.3). Выделяющееся при этом тепло поддерживает температуру внутри капли около 0ºС. Под действием раз­ности температур между сердцевиной капли и ее поверхностью происходит диффузия ионов Положительные ионы водорода Н⁺ обладают большей подвижностью, чем ноны ОН^–, поэтому поверхностный слой капли заряжается положительно, в то время как сердцевина капли получает избыточный отрицательный заряд. Когда замерзает серд­цевина капли, то вследствие ее расширения ранее замерзший поверхностный слой лопа­ется, и его положительно заряженные осколки уносятся потоком воздуха в верхние части облака.

На рис. 9.4 показана усредненная модель грозовой ячейки облака. Уровни расположе­ния зарядов близки к наблюдаемым, а значе­ния зарядов соответствуют средним значе­ниям напряженности электрического поля, измеряемым у поверхности земли. Сравни­тельно небольшой положительный заряд в нижней части облака переносится каплями дождя на землю. Предполагается также, что он может способствовать развитию разряда из отрицательно заряженной области.

Грозовое облако по структуре основных зарядов представляет собой диполь. Сред­ний электрический момент, нейтрализуемый при разряде, составляет около 100 Кл∙км, а максимальный — примерно 500 Кл∙км. Частота разрядов при умеренных грозах — около одного в 1 мин., а при интенсивных — может достигать 5—10 в 1 мин.

Рис. 9.4. Структура грозовой ячейки облака

Средняя плотность зарядов в облаке 3∙10⁹ — 3∙10 ⁸ Кл/м³, а скорость их накопления 3∙10^-10—3∙10^-8 Кл/(м³-с). Средняя про­должительность электрической активности отдельного грозового облака 30—40 мин.