Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

моментами кристаллизации пары капель. В электрическом поле должно наблюдаться увеличение скорости движения ледяных частиц, что также должно привести к уменьшению разности времени между моментами кристаллизации пары капель. Сопоставление данных, полученных Рудько [162] для тех же температурных ин­ тервалов при отсутствии электрического поля, с данными табл. 11 выявляет их хорошую воспроизводимость. Рудько получила для интервалов —20, —25 и —25, —30° С соответственно 22,7 и 12,5 с.

Т а б л и ц а 11

Зависимость средней разности времени кристаллизации пары капель (с), одновременно погружаемых в холодильную камеру, от напряженности поля. По В. М. Мучнику и Ю. С. Рудько [141]

Как видно из табл. 11, с увеличением напряженности поля действительно происходит уменьшение разности времени между моментами кристаллизации для обоих температурных интервалов. По-видимому, значение 13,8 с для интервала температур —20, —25° С и напряженности поля ІО4 В/м является заниженным и, возможно, случайным, так как для интервала температур —25, —30° С закономерность хода данных не нарушается.

1.7. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛ НА СУБЛИМАЦИОННЫЙ РОСТ ЛЕДЯНЫХ ЧАСТИЦ

Сублимационный рост ледяных частиц должен играть сущест­ венную роль при зарождении грозовых облаков, когда водность велика. Тогда происходит быстрая перекачка водяного пара с об­ лачных капелек на ледяные частицы и рост последних. Можно полагать, что электрические силы должны привести к ускорению сублимационного роста ледяных частиц.

Шефер (см. в [401]) обнаружил, что в камере с переохлажден­ ным туманом под. воздействием электрического потенциала проис­ ходит ускорение роста ледяных кристаллов на телах, к которым он приложен. Эти наблюдения были подтверждены Маршаллом и

'68

Ганном [401], которые помещали в камеру паутинку под напряже­ нием. На поверхности паутинки появлялись ледяные нити, «усики» толщиной, согласно опытам Завадского и Папи [589], около 20 мкм.

В. И. Арабаджи [9] установил два острия друг против друга. При потенциале от 4,5 до 10 кВ между ними возникал коронный разряд. Под остриями находился стаканчик с нагретой до кипения водой. При температуре воздуха от —10 до —12° С на отрицатель­ ном острие начинала оседать вода, которая при замерзании прев­ ращалась в гладкий лед. После этого на поверхности образовы­ вался иней, особенно интенсивно при температуре ниже •—15° С. На положительном электроде оседание воды и образование инея были всегда незначительными. Арабаджи считает, что причиной электроосаждения льда на отрицательном острие является преи­ мущественное развитие коронного разряда на положительном острие. Молекулы водяного пара заряжались во внешней области положительной короны и гнались электрическим полем на отри­ цательное острие. Арабаджи не учитывает, что при температурах ниже —10° С водяной пар превращается в капельки и что имеет место перенос электрическим полем не столько молекул водяного пара, сколько мельчайших капелек воды.

Электроосаждение льда на металлической нити в облачной камере при отрицательных температурах в однородном электри­ ческом поле исследовали Бартлет и др. [224]. При напряженностях поля выше 5 -104 В/м на нити появлялись ледяные кристаллы игольчатой формы. Скорость роста ледяных кристаллов в электри­ ческом поле более чем в 10 раз превышала скорость роста при отсутствии поля при той же температуре и пересыщении. Бартлет и др. пришли к выводу, что скорость роста обусловливается в ос­ новном изменением скорости диффузии водяного пара на ледяной кристалл.

Подобного рода опыты были выполнены Т. Г. Габарашвили и др. [25]. Наращивание льда происходило на металлической нити над сосудом с подогреваемой водой. При отрицательном потен­

1.8. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛ НА КОАГУЛЯЦИОННЫЙ РОСТ И АГРЕГАЦИЮ

ЛЕДЯНЫХ ЧАСТИЦ

Для образования гидрометеоров в грозовых облаках большое значение имеет коагуляционный рост ледяных частиц при их соударении с переохлажденными облачными капельками и агре­ гация ледяных частиц. Первый процесс иллюстрируется наблю­ даемыми весной и осенью обзерценными снежинками, когда

69

переохлажденные капельки намерзают на них. Одним из основных результатов второго процесса являются хлопья снега.

На агрегацию ледяных кристаллов оказывают влияние грави­ тационные, аэродинамические и электрические силы. Под дейст­ вием этих сил происходит соударение ледяных кристаллов. Причи­ нами соединения кристаллов между собой, кроме механического сцепления, обязанного особенностям их конфигурации, являются адгезия и смерзание.

В разделе 1.3 при рассмотрении коагуляционного роста капель было показано, что электрические силы оказывают значительное влияние на скорость их роста. Причем это влияние тем больше, чем меньше относительная скорость падения капель. Характер­ ными особенностями ледяных частиц игольчатой и пластинчатой форм являются их сравнительно малая скорость падения и узкий спектр скоростей. Вследствие этого относительная скорость паде­ ния таких ледяных частиц небольшая, и влияние электрических сил на их агрегацию должно быть большим.

Скорость падения ледяных кристаллов сравнительно невелика, поэтому время их взаимодействия с капельками облачных разме­ ров будет большим, чем время взаимодействия капель той же массы. При совпадении направлений электрического поля и длин­ ной оси на краях ледяных частиц игольчатой и пластинчатой форм значительно усиливается напряженность поля. Совместное влияние увеличения времени взаимодействия и усиления напряженности поля должно привести к увеличению скорости соударения.

В сильных вертикальных электрических полях грозовых обла­ ков можно ожидать переориентацию длинной оси ледяных кристал­ лов игольчатой и пластинчатой форм с горизонтального положения на вертикальное. Действительно, по наблюдениям Воннегута [557], в кристаллических вершинах грозовых облаков возникают своеоб­ разные оптические явления в виде световых полос, которые, веро­ ятно, вызываются упорядоченным поворотом ледяных кристаллов под действием электрического поля. Мендез [440] исследовал ин­ тенсивность ортогонально поляризованных солнечных лучей, отра­ женных от кристаллической вершины грозовых облаков. Была об­ наружена связь между интенсивностью отраженных лучей и моментами наступления грозовых разрядов, что можно объяснить изменением ориентации ледяных кристаллов под действием элек­ трического поля до и после разрядов.

В. М. Мучник и др. [138] исследовали ориентацию ледяных кри­ сталлов, имеющих форму вытянутых эллипсоидов вращения, в электрическом поле. Эллипсоид в электрическом поле имеет два положения равновесия, одно из которых является устойчивым (большая полуось параллельна направлению поля), а другое — неустойчивым (малая полуось параллельна направлению поля). Под влиянием аэродинамических сил эллипсоид имеет также два положения равновесия: устойчивое, когда большая ось перпенди­ кулярна направлению движения эллипсоида, и неустойчивое, когда она параллельна движению эллипсоида. Вследствие этого в верти­

70

кальном электрическом поле при падении вытянутого эллипсоида вращения механические моменты, обусловленные электрическими и аэродинамическими силами, имеют противоположные знаки. В то время как один из них будет приводить эллипсоид в состоя­ ние устойчивого равновесия, другой будет выводить его из этого состояния. Поэтому должно существовать какое-то вертикальное критическое поле, по достижении которого эллипсоид имеет тен­ денцию устанавливаться в направлении поля, т. е. вертикально.

Для получения значений критической напряженности поля было выполнено экспериментальное исследование на моделях. Струя воздуха, создаваемая вентилятором, поднимала вверх сде­ ланную из алюминиевой фольги частицу толщиной 0,03 мм, шири­ ной 1 мм и длиной от 5 до 25 мм. Следовательно, среднее значе­ ние k находилось в пределах 50—250. При отсутствии электриче­ ского поля частицы сохраняли горизонтальное положение, совер­ шая колебательное движение относительно него. При включении вертикального поля всегда можно было найти такое значение на­ пряженности, при котором происходило изменение положения ча­ стицы с горизонтального на вертикальное. Из этих опытов было получено, что для /г = 100 £ кр= 7 • ІО4 В/м. Скорость падения ча­ стиц оказалась около 1,5 м/с. Эти данные получены для плотности воздуха у поверхности земли. С уменьшением плотности воздуха значение критической напряженности поля будет уменьшаться. Но вместе с уменьшением плотности воздуха будет увеличиваться конечная скорость падения частиц, что должно привести к некото­ рому увеличению критической напряженности. В результате будет происходить частичная компенсация этих влияний.

На основании рассмотренных выше предварительных экспери­ ментов на моделях можно считать, что получено подтверждение предположения, что электрическое поле является причиной пово­ рота ледяных кристаллов в вершинах грозовых облаков. Однако еще необходимо выполнить подобные исследования с ледяными кристаллами.

При повороте вытянутого эллипсоида в вертикальном электри­ ческом поле от горизонтального положения к вертикальному со­ противление воздуха при падении уменьшается и конечная ско­ рость падения частицы увеличивается. В. А. Дячук [45], фотогра­ фируя скоростной кинокамерой падение частицы игольчатой формы из металлизированного нейлона, определил, что увеличение скорости примерно на 50% происходит немедленно после поворота частицы. Очевидно, что конечная скорость падения частицы, ориентированной вертикально, будет еще в большей степени отли­ чаться от ее скорости при падении в горизонтальном положении (Джаяратне и Мейсон [349]). Поворот частиц вдоль электриче­ ского поля имеет существенное значение, так как изменяются усло­ вия их сближения, соударения и контакта.

Таким образом, в вершинах грозовых облаков существуют условия для упорядоченного поворота ледяных кристаллов вдоль сил электрического поля. Поэтому должно всегда наблюдаться

71

усиление поля на конце ледяного кристалла и соответственное увеличение скорости коагуляции переохлажденных облачных ка­ пелек на нем. На конце частицы, направленном вниз, образуется утолщение, и она приобретет форму булавы, что приведет к стаби­ лизации ее длинной оси в вертикальном направлении, даже в том случае, если напряженность поля резко уменьшится вследствие грозового разряда. Дальнейший рост такой частицы за счет соуда­ рения с переохлажденными облачными капельками и кристаллами приведет к образованию снежной и ледяной крупы.

В опытах с электроосаждением в переохлажденном тумане Завидский и Папи [589] обнаружили под микроскопом замерзание капелек на поверхности льда. В. М. Мучник и Ю. С. Рудько [140] при температурах не ниже —10° С наблюдали как в электриче­ ском поле, так и без него оседание переохлажденных капелек на поверхности льда. При намерзании капелек образовывался срав­ нительно гладкий слой без особенно выдающихся выступов.

При температурах переохлаждения ниже —10° С замерзание капелек на поверхности ледяных кристаллов происходит весьма быстро. Капельки сильно деформируются и приобретают кри­

В сильных электрических полях капельки, оседающие на по­ верхности частиц, приобретают вытянутую в направлении поля форму (Т. Г. Габарашвили и др. [25]). Это облегчает преобразо­ вание капель в монокристаллы и приводит к появлению на концах частиц кристаллических заострений, которые в свою очередь вы­ зывают усиление поля на концах частиц и дальнейшее ускорение коагуляции.

Несмотря на существование определенной связи между темпе­ ратурой воздуха и формами ледяных кристаллов, есть основания полагать, что в вершинах кучево-дождевых облаков существует смесь кристаллов разных размеров и форм, в том числе игольча­ тых и пластинчатых. Электрическое поле может привести к увели­ чению коэффициента эффективности соударения ледяных кристал­ лов как вследствие увеличения сил притяжения между ними, так и в результате изменения аэродинамических условий падения частиц.

Из опытов В. М. Мучника и Ю. С. Рудько [140] следует, что электрическое поле оказывает сильное влияние на рост веточек инея на поверхности ледяной сферы за счет ледяных кристаллов. При температурах около —20° С, когда в камере с переохлажден­ ным туманом было большое количество ледяных кристаллов, на­ блюдался интенсивный рост веточек инея при напряженности поля 1 • ІО5 В/м и выше (рис. 22). Основной рост происходил в направ­ лении поля. При оседании на ледяной сфере кристалла происхо­ дит локальное усиление электрического поля, и ледяная частица, находящаяся вблизи, имеет больше шансов осесть на этот кри­ сталл, чем на окружающую его поверхность сферы. Это подтверж­ дается видом веточек инея на рис. 22. Они раздельно растут до

72