Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

форму конуса, которые в свою очередь еще больше усилят поле, и его отклонение от рассчитанного для сфер окажется еще боль­ шим. Теоретическое решение вопроса об условиях наступления неустойчивости в зазоре между двумя заряженными или нейтраль­ ными каплями, находящимися в электрическом поле, оказывается чрезвычайно сложным, и пока что еще отсутствуют попытки та­ кого решения даже в грубом приближении.

Лезем и Роксбург [385] теоретически рассмотрели более прос­ тую задачу о взаимодействии двух закрепленных капель, находя­ щихся в вертикальном электрическом поле. Для определения критической напряженности поля, приводящей к разрушению по­ верхности капель в зазоре между ними, они использовали прибли­ жение Тейлора [547] и теорию Девиса [274] об усилении поля между твердыми проводящими сферами. Для проверки полученных тео­ ретических представлений были выполнены эксперименты, в кото­ рых капли радиусом г0, прикрепленные к твердым стерженькам из изолятора, помещались в положительное вертикальное поле. В результате было получено вполне удовлетворительное согласие между экспериментальными и теоретическими кривыми зависимо­ сти безразмерного параметра Екѵ(го/Т) от отношения s0/r0 (s0— начальное расстояние между вершинами капель в зазоре между ними до включения поля). Из этих данных следует, что с умень­ шением So происходит быстрое уменьшение значения безразмер­ ного параметра, соответствующего нарушению равновесия между ними (табл. 10).

Т а б л и ц а 10

Критическая напряженность поля £ кр, требуемая для разрушения водяных капель радиусом г0=1 мм, длина зазора между которыми s0 (с/г0— степень удлинения капли в направлении поля в момент разрушения). По Лезему и Роксбургу [385]

Как из теории, так из опытов Лезем и Роксбург получили, что при расстоянии между каплями в 3—4 радиуса взаимодействие капель между собой настолько мало, что их можно рассматривать как независимые друг от друга. Но, как следует из табл. 10, на расстояниях, сопоставимых с радиусом, взаимодействие между

каплями становится уже достаточно ощутимым. При достаточном сближении капель, когда расстояния между ними составляют со­ тые и тысячные доли радиуса, взаимодействие настолько велико, что для того, чтобы вызвать разрушение поверхности в зазоре между каплями, требуются уже весьма небольшие напряженности поля.

Азад и Лезем [218] провели теоретическое и эксперименталь­ ное исследование разрушения пары капель одинакового размера, находящихся при равных, но противоположных по знаку потен­ циалах. Эта задача соответствует задаче о взаимодействии двух капель, заряженных равными, но противоположными по знаку зарядами. Когда две такие капли приближаются друг к другу, их поля начинают взаимодействовать, что приводит к зна­

согласие между результатами, полученными на основании теории,

иэкспериментальными данными. При рассмотрении фотографий последовательных стадий разрушения капель, укрепленных на двух вертикально расположенных стерженьках из изолятора, об­ наружилось, что верхняя капля удлиняется значительно больше, чем нижняя, и что при разрушении часть воды переходит с верх­ ней капли на нижнюю. Время, в течение которого происходило разрушение, составляло тысячные доли секунды. Фрайер [304] считает, что предположения о сфероидальности капли и о равен­ стве гидростатических давлений являются необоснованными. Азад

иЛезем, согласившись с Фрайером, указали, что различие между

теорией и экспериментом не превышает 15%, поэтому в этих пре­ делах теорию можно считать удовлетворительной.

При всем интересе, который представляют теоретические и экс­ периментальные исследования Лезема и Роксбурга [385], Азада и Лезема [218], они не могут достаточно правильно характеризовать условия возникновения неустойчивости между двумя свободно па­ дающими каплями. Поэтому рассмотрим качественно процесс слияния двух противоположно заряженных капель или капель, находящихся в электрическом поле, на основании эксперименталь­ ных исследований.

При сближении двух капель под действием электрических сил в зазоре образуется локальное конусообразное искривление на

Но представления Сартора основывались на опытах, когда капли воды находились в масле и искривление поверхности капель было не очень значительным. Кроме того, искровой разряд не может

50

объяснить несоответствие между временем протекания разряда и временем релаксации заряда, рассчитанным по данным об элект­ ропроводности воды.

Исследования излучения световых и радиоволн при соударе­ нии противоположно заряженных капель, осуществленные Сарто-

между каплями и нейтрализация зарядов в зазоре протекают за время, значительно меньшее, чем время образования перемычки. В случае капель, заряженных равными и противоположными за­ рядами, происходит нейтрализация зарядов, и электрические силы, вызывающие притяжение капель друг к другу и образование ло­ кальных искривлений поверхности в зазоре, исчезают. Дальней­ шее движение капель должно происходить по инерции и тормо­ зиться сопротивлением воздуха. Скорость движения капель неве­ лика— несколько сотых м/с. Поэтому если расстояние между кап­ лями, которые при отсутствии электрических сил можно считать сферическими, составляет около ІО-4 м, то время, требующееся для соприкосновения капель, будет порядка ІО-2—10_3 с, что зна­ чительно превышает время образования перемычки. Объяснение этого расхождения можно получить исходя из предположения, что еще до момента образования разряда между каплями возникает неустойчивость в зазоре, приводящая к выбрасыванию струек воды из конусообразных заострений.

При слиянии двух капель, расположенных в электрическом поле, также должен происходить разряд между локальными кону­ сообразными искривлениями в зазоре до момента образования перемычки. При этом чем больше будет напряженность поля, тем значительнее будут искривления и тем раньше наступит разряд. Брезиер-Смит и Лезем [242] по данным вычислений на ЭВМ при­ шли к выводу, что скорость вылета струи при наступлении не­ устойчивости на полюсах одной капли, находящейся в электриче­ ском поле, около 1 м/с. Они определили эту скорость по данным Сартора и Аббота [498] о скорости образования перемычки между двумя каплями радиусом 780 мкм в поле 3,85ІО5 В/м и получили такое же значение. Дячук [43] для двух капель радиусом 1250 мкм, подвешенных на тонких капроновых нитях в поле 5 -ІО5 В/м, также получил значение, несколько превышающее 1 м/с. После разряда в зазоре между поляризованными каплями происходит выравнивание потенциала. Поэтому если бы неустойчивость в за­ зоре не возникала до момента разряда, то она после разряда не могла бы возникнуть и перемычка не должна была бы образо­ ваться.

Так как длина перемычки s сказывается на коэффициенте эф­ фективности соударения капель, то представляет интерес иссле­ довать ее зависимость от напряженности поля Е0. Такое исследо­ вание было проведено Дячуком и др. [47]. Под длиной перемычки понимается разность между расстоянием от центра одной капли до центра другой в момент слияния и суммой их начальных ра­ диусов. Капли в поле могут начать свое сближение с разных на­ чальных расстояний между их стенками (s0), поэтому сперва была исследована зависимость s от s0 для некоторого постоянного Е0.

52

длины перемычки от напряженности поля. Как видно из графика рис. 16, на осях которого отложены логарифмы s и Е0, с увеличе­ нием напряженности поля происходит значительное увеличение

Когда вершина мощных кучевых облаков оказывается в обла­ сти низких отрицательных температур, происходит замерзание ка­ пелек, что приводит к изменению условий роста частиц и электри­ зации. Поэтому до рассмотрения особенностей роста ледяных частиц в облаках представляется целесообразным ознакомиться с процессами кристаллизации переохлажденных капелек и влия­ нием на них электрических сил.

Для лучшего понимания процессов кристаллизации рассмот­ рим сперва некоторые вопросы строения воды и льда.

1.6.1. Строение воды и льда

Строение молекул воды, так же как структура жидкой воды и льда, исследовалось с помощью различных методов — оптиче­ ской спектроскопии, комбинационного рассеяния световых лучей,1

1 Вероятно, это обстоятельство ограничивает целесообразность уточне­ ния расчетов сближающихся капель как твердых сфер при использовании при­ ближений высших порядков.

53