2.4. Генерация и разделение зарядов в конвективном облаке
Зарядовая структура грозового облака обычно проходит три стадии. Первая стадия - когда облако находится на стадии Cu hum - Cu med, оно, обычно, целиком заряжено положительно. При этом закон сохранения заряда ни коим образом не нарушается. Заряды противоположного знака оказываются в окружающей атмосфере. Когда облако дорастает до стадии Cu cong, оно, как правило, приобретает двухполюсную структуру: вверху накапливается положительный заряд, внизу - отрицательный. Эта структура сохраняется и тогда, когда облако переходит в Cb. В дальнейшем, когда начинается интенсивное выпадение осадков, и близится распад Cb, в нижней части облака обычно формируется небольшая область положительного заряда. Таким образом, возникает трехполюсная зарядовая структура, которая считается классической (рис.2) Вторая стадия. С распадом облака упорядоченная система зарядов «размывается».
Рис.2
2. Грозы в подавляющем большинстве случаев наблюдаются в тех облаках, в которых влага присутствует сразу в трех агрегатных состояниях: пар, вода и лед. В так называемых теплых конвективных облаках, состоящих только из пара и воды, грозы редки, а по утверждению ряда специалистов, и вовсе невозможны. Аналогично весьма редки и грозы в чисто ледяных облаках, не содержащих водяных капель.
3. Выпадение града практически всегда сопровождается грозой. Обратное неверно - грозы бывают без града.
2.5. Классификация механизмов генерации и перераспределения электрического заряда в конвективном облаке
Теперь перечислим основные механизмы генерации нескомпенсированных электрических зарядов и их перераспределения между атмосферными ионами, жидкими каплями и ледяными частицами.
1. Захват ионов каплями и ледяными частицами. В воздухе всегда присутствуют ионы обоих знаков, причем, ионообразование происходит непрерывно. Эти ионы захватываются частицами, составляющими облако. Сразу скажу, что речь здесь идет, в первую очередь, о каплях. Ионные механизмы играют существенную роль на ранней стадии эволюции облака, когда оно приобретает формы от Cu hum до Cu cong. В это время ледяные частицы в нем еще не успевают образоваться, так как облако полностью располагается ниже области отрицательных температур.
Заметим важную деталь: капли находятся во внешнем электрическом поле. Оно пока еще невелико и близко к фоновому (102 - 103 В/м), но все равно способно искажать электрическую структуру капель, которые, даже будучи электрически нейтральными, поляризуются (рис. 3). Молекулы воды, представляющие собой диполи, обращаются положительным полюсом в направлении поля (вниз) и отрицательным в противоположном направлении.
Рис.3
Капли, постепенно укрупняясь, перестают полностью увлекаться восходящим потоком и приобретают собственную скорость, направленную вниз. Для мелких облачных капель, характерный диаметр которых не превышает десятки микрон, эта скорость составляет порядка 10-2 - 10-1 м/сек, для осадков, которые уже начинают формироваться, она в несколько раз выше. О выпадении осадков из облака пока речи не идет (это еще не Cb). Ионы представляют собой частицы гораздо меньшего размера (обычно, это - отдельные молекулы или кластеры из нескольких молекул), и потому несутся вместе с восходящим потоком навстречу падающим каплям.
Нижняя часть капель заряжена положительно, поэтому она охотнее захватывает из встречного потока отрицательные ионы, чем положительные. Верхняя же часть, по законам электростатики, стремится захватывать ионы противоположного знака. Но здесь вступает в силу аэродинамика. Выхватить ионы из потока, обтекающего падающую каплю вверху, уже гораздо труднее, чем из встречного потока. В результате возникает асимметрия. Описанное явление называется селективный захват ионов. Крупные капли заряжаются отрицательно и постепенно оседают вниз, а оставшийся по закону сохранения положительный заряд движется с восходящим потоком в вершину облака. Именно так и образуется двухполюсная структура с положительным зарядом вверху.
Ионные механизмы электризации играют определяющую роль в формировании зарядовой структуры конвективного облака приблизительно до стадии Cu cong.
Процессы захвата ионов каплями четко описаны математически (что, к сожалению, нельзя сказать о других механизмах - см. ниже). Таким образом, ранняя стадия электризации конвективного облака достаточно хорошо изучена.
По мнению ряда авторов, эти же механизмы играют роль не только на ранних стадиях, но и на протяжении всей эволюции облака. Запас ионов в воздухе, который быстро исчерпывается, пополняется в результате локальных коронных разрядов, возникающих вблизи поверхности капель и кристаллов при полях порядка 103 - 104 В/м. Однако эта гипотеза не проверена.
2. Суммирование зарядов капель и (или) ледяных частиц при их слиянии. Этот механизм довольно прост. Все частицы, присутствующие в облаке, движутся с разными скоростями и сталкиваются друг с другом. При столкновении может произойти упругий отскок (об этом поговорим отдельно), перераспределение влаги между сталкивающимися частицами или, чаще всего, полное их слияние (коагуляция). Поскольку электрический заряд - величина аддитивная, то образующаяся при коагуляции частица приобретает заряд, равный сумме зарядов слившихся частиц (со своим знаком!). Таким образом, если эти заряды окажутся разноименными, они нейтрализуются, и коагуляция будет сдерживать разделение зарядов и рост электрического поля.
Данный механизм играет наибольшую роль при столкновении переохлажденной капли и ледяной частицы в области низких температур. Их слияние наиболее вероятно и почти неизбежно сопровождается замерзанием капли. Наименее эффективно коагуляция происходит при столкновении двух ледяных частиц - в этом случае, как правило, происходит упругий отскок.
Коагуляционный механизм тоже достаточно четко описывается математически, если известны функции распределения частиц, присутствующих в заданном объеме, по размерам и по электрическим зарядам. Скорость перемещения разных частиц, от которой зависит вероятность столкновения, с достаточно большой точностью вычисляется на основании их размера и свойств окружающего воздуха. Однако здесь есть две крупных проблемы: 1) вычисление вероятности столкновения частиц, движущихся друг на друга (они могут и разойтись - здесь нужно учитывать аэродинамику) и 2) определение вероятности слияния столкнувшихся частиц (они могут и разлететься). В этом направлении предстоит большой объем новых исследований.
3. Обмен зарядом при столкновении капель (ледяных частиц). Теперь поговорим о случаях, когда сталкивающиеся частицы не сливаются, а либо упруго отскакивают друг от друга, либо частично обмениваются водой (льдом) при столкновении, прежде чем разлететься.
Здесь уже картина гораздо более сложная. Количество и знак заряда, перераспределяемого между сталкивающимися частицами, зависит от огромного количества факторов (исходные заряды частиц, величина и направление внешнего электрического поля, которое их поляризует, температура частиц и окружающего воздуха, форма и размеры частиц, их фазовый состав, наличие примесей других веществ, кроме воды и др.). Причем, попытки вывести какие-то аналитические зависимости оказываются успешными, в лучшем случае, для каких-то узких диапазонов условий.
Наиболее четко описано разделение зарядов между двумя сталкивающимися каплями воды. Их форма близка к сферической, что несколько упрощает дело, хотя формулы изобилуют эмпирическими коэффициентами. Этот процесс начинает играть существенную роль в электризации приблизительно на стадии Cu cong (тоже способствуя формированию двухполюсной структуры), а в дальнейшем работает и на стадии Cb, вплоть до распада облака.
Экспериментально показано, что при столкновении мелкой облачной и крупной дождевой капли первая отскакивает от нижней части последней и уносит часть ее заряда (а он, как явствует из рис. 3, на стадии Cu cong, как правило, положительный; это определяется направлением поля). Таким образом, легкие капельки, гонимые восходящим потоком, получая положительный заряд, уносят его вверх. Дождевые же капли с отрицательным зарядом под действием силы тяжести стремятся вниз. Величина заряда, разделяемого при таком процессе, по оценкам ряда авторов, достаточно высока, чтобы повысить значение напряженности электрического поля до пробойного.
Именно этот механизм, по мнению ряда авторов (которое разделяет и Ваш покорный слуга), объясняет еще и возникновение положительного заряда в нижней части облака (уже на стадии Cb). Ведь именно там, как показывают исследования, вертикальная составляющая электрического поля меняет знак! Это связано с тем, что отрицательный заряд, скапливающийся между низом и центром облака (рис.2), постепенно направляет поле к себе (т.е., вверх, если смотреть снизу). В этой зоне знак заряда, разделяемого при столкновении капель, сразу меняется на противоположный. Легкие капли заряжаются уже отрицательно и поднимаются в среднюю часть облака, усиливая и без того отрицательный заряд. А положительно заряженные осадки как раз и образуют нижний «плюс», довершая формирование классического трехполюсника.
Аналогичные процессы происходят и при столкновении ледяных частиц между собой. Но здесь еще рано говорить о каких-либо общих закономерностях, хотя исследований проведено более чем достаточно. Одна только систематизация их результатов уже потянула бы на докторскую диссертацию. Но, по всей видимости, решающей роли эти механизмы не играют, так как в полностью ледяных облаках, не содержащих жидкой влаги, грозовые разряды происходят редко. Это подтверждается наблюдениями за зимними грозами, при которых, в большинстве случаев, облако частично попадает в область положительных температур.
Тем не менее, без систематизированных знаний о процессах, связанных с ледяной фазой, картина эволюции гроз явно остается неполной.