Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Гос. публ' '-""’-я

научно-TüXK.: •.’•'«а:!

бп'.г-о . ) -л ’

УДК Г>51.515.4

Ці/5TAJibV’Of О

Ответственный редактор И. М. Имянитов

Книга посвящена вопросам физики образования грозы и влияния электрических сил на элементарные процессы в ку­

облаков. Подвергаются критическому анализу возможные ме­ ханизмы электризации гидрометеоров в кучево-дождевых об­ лаках и наиболее распространенные схемы грозы. Рассматри­ вается роль индукционных механизмов электризации в обра­ зовании грозового электричества и делается попытка развить схему грозы. Приводятся данные об особенностях «теплых» гроз и исследуются условия, необходимые для их образова­ ния. Обобщаются результаты работ в области искусственных воздействий на грозу.

Книга предназначена для инженеров-метеорологов, пре­ подавателей и студентов гидрометеорологических вузов, а также для специалистов, деятельность которых имеет отно­ шение к грозовому электричеству, — радио- и электроинжене­ ров, авиационных работников и т. п.

This book is concerned with the physics of a formation of thunderstorm and the influence of the electric forces on ele­ mental processes in cumulonimbus clouds. It is intended to make up for a deficiency in the question above mentioned. The book gives modern data on a dynamic structure and, especially, full on an electrical structure of thunderstorm clouds. It is carried out a critical analysis of the possible mechanisms of electrification of hydrometeors in cumulonimbus clouds and the most widespread thunderstorm theories. There is a consideration of the role of induction electrification mechanisms under the formation of thunderstorm electricity. It is made an attempt to develope a thunderstorm theory. There are data on the pecu­ liarities of "warm” thunderstorms; and it is investigated the conditions which are necessary for their formation. A special chapter is concerned with the results of the works in the field of artificial influence on thunderstorm.

The book may be of interest for the meteorologists, students and for the specialists, the activity of which concerns with thunderstorm electricity, radioand electroengineers, the specia­ lists working in aviation.

0297-034

ПРЕДИСЛОВИЕ

Гроза принадлежит к тем явлениям природы, которые замечает самый ненаблюдательный человек. Ее опасные воздействия ши­ роко известны. Об ее полезных последствиях знают меньше, хотя они играют существенную роль. Прогноз грозы — одна из основ­ ных задач метеорологии; уже поставлен вопрос об управлении гро­ зами. Необходимо знать, как изменяется грозовая активность в результате человеческой деятельности.

Понимание природы грозы существенно не только для метео­ рологов. Изучение электрических процессов в столь гигантских — по сравнению с масштабами лабораторий — объемах позволяет установить более общие физические закономерности природы вы­ соковольтных разрядов, разрядов в облаках аэрозолей. Тайна ша­ ровых молний может быть раскрыта только при постижении про­ цессов, происходящих в грозах.

В то же время сама физика грозовых процессов изучена недо­ статочно, и хотя электрическая природа грозы была установлена Б. Франклином более 200 лет тому назад, хотя более 200 лет су­ ществует первая теория электрических процессов в грозах, создан­ ная М. В. Ломоносовым, до сих пор нет удовлетворительной об­ щей теории грозы. Причинами этого явились и сложность самого процесса грозы, и трудности исследования гроз, нередко создаю­ щих смертельную опасность для их исследователей, и ... малая изученность результатов весьма многочисленных исследований.

Книга В. М. Мучника «Физика грозы» представляет собой

впервую очередь весьма полное обобщение данных лабораторных

иполевых исследований гроз. В этом отношении книга является уникальной в мировой литературе о грозах. Ее автор известен как настойчивый исследователь элементарных процессов электризации

игрозовых процессов в целом. Не навязывая своей точки зрения на отобранный им материал, В. М. Мучник обобщает результаты исследований в оригинальной, разработанной им теории грозы. Такой подход к материалу определяет ценность книги даже для тех, кто не разделяет точки зрения автора.

Предлагаемая Вашему вниманию книга будет долго служить как экспериментаторам, так и теоретикам, исследующим природу грозы и общие физические закономерности электрических процес­ сов в облаках аэрозолей.

Илья Имянитов

1*

ВВЕДЕНИЕ

При обзоре литературы, изданной в Советском Союзе за по­ следние 25 лет, обнаруживается отсутствие монографии, целиком посвященных грозовому электричеству. В ряде книг встречаются лишь отдельные разделы, касающиеся этого вопроса. Такие раз­ делы имеются в монографиях Я. И. Френкеля «Теория явлений атмосферного электричества» (1949 г.), Н. С. Шишкина «Облака,

(1971 г.). Из переводных монографий можно указать «Физику об­ лаков» Б. Дж. Мейсона (1961 г.), где только часть главы «Элект­ ризация облаков» уделена грозовому электричеству.

Вместе с тем существует настоятельная потребность в моногра­ фии о грозовом электричестве, так как грозовая деятельность оказывает значительное влияние на разные отрасли народного хо­ зяйства. Так, общеизвестно влияние грозы на безопасность поле­ тов самолетов; грозовые разряды вызывают нарушение работы линий электропередачи и связи, интенсивные радиопомехи, лесные пожары и т. д. Прогноз грозы все еще является одной из наиболее трудных задач синоптической метеорологии. Решение многих важ­ ных вопросов связано с познанием природы грозы, сведения об исследованиях которой разбросаны по многочисленным источни­ кам и уже вследствие этого являются труднодоступными.

В предлагаемой читателю книге делается попытка обобщить сведения о природе грозы и дать возможно более полную сводку литературных источников; последнее обстоятельство особенно важно в наше время, характеризующееся усилением потока ин­ формации. В монографии основное внимание уделено природе грозы умеренных широт, что представляет особый интерес для чи­ тателей Советского Союза. Но рассмотрены также грозы тропиче­ ских широт, поскольку они имеют много общего с грозами уме­ ренных широт.

При выполнении поставленной задачи встретились значитель­ ные трудности. Они возникли главным образом из-за сложности грозовых явлений и отсутствия достаточных сведений как о макро-, так и о микромасштабных процессах, происходящих в грозовых

облаках.

Если в синоптике и аэрологии игнорировали электрическую природу грозы, то в разделе науки об атмосферном электричестве

4

длительное время грозу рассматривали исключительно как элект­ рическое явление в конвективных облаках. В первую очередь пы­ тались установить элементарный механизм электризации, который может быть ответственным за образование электрических зарядов в облаках.

Со времени открытия Б. Франклином и М. В. Ломоносовым электрической природы грозы в 1752 г. при лабораторных иссле­ дованиях было обнаружено весьма большое количество механиз­ мов электризации, которые могут иметь место в грозовых облаках. В результате появилось значительное количество теорий грозы, большинство которых теперь представляет только исторический интерес. В конце XIX и в начале XX в. в связи с развитием мето­ дов измерений элементов атмосферного электричества, в том числе зарядов капель, стали накапливаться сведения об электрических характеристиках облаков, туманов и осадков. Развитие методов измерений значительно ускорилось и качественно стало иным в результате использования авиации и появления летающих лабо­ раторий. Наряду со сведениями, поступающими с рейсовых само­ летов, случайно попадавших в грозовые облака, появились данные

удовлетворять теория грозового электричества. Появилась воз­ можность более строго рассмотреть достоинства и недостатки раз­ личных теорий грозы и выделить достоверные или, во всяком слу­ чае, возможные теории.

Вслед за этим обнаружилось, что одностороннее рассмотрение грозы исключительно как электрического или же макрофизического явления в кучево-дождевых облаках неверно. Гроза — явле­ ние комплексное, обусловленное как электрическими, так и дру­ гими микро- и макрофизическими процессами в конвективных об­ лаках. Существует чрезвычайно тесная связь между различными элементарными процессами в облаках. В частности, рост облач­ ных элементов и гидрометеоров, увеличение напряженности элек­ трического поля и зарядов оказались в значительной степени взаимно обусловленными. Нельзя решать вопросы, касающиеся условий образования электричества в грозовых облаках, не рас­ сматривая во всей полноте микро- и макрофизические процессы образования и роста облака и отдельных элементов в нем. И в свою очередь при решении вопросов развития облаков и осад­ ков необходимо учитывать электрические силы. Вообще, все более

иболее выкристаллизовывается мнение, что процессы образования

иразвития облаков и осадков, причем не только грозовых, но и любых других, в значительной степени обусловлены электриче­ скими силами. Так, Б. Дж. Мейсон [115, стр. 425] высказался по этому поводу вполне определенно: «В прошлом появилась тенден­

ция рассматривать электрические явления в облаках без связи с процессами конденсации и образования осадков... Трудно найти логическое обоснование такому подходу к вопросу, так как

5