Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Глава 1

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛ НА ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОБЛАКАХ

Электрические поля и заряды как облаков и атмосферы, так и отдельных частиц в облаках оказывают влияние на элементарные процессы, протекающие в облаках. Поскольку рассмотрение элект­ рических характеристик собственно атмосферы выходит за пре­ делы темы о грозовом электричестве, приведем только краткие сведения, которые могут оказаться полезными в дальнейшем.

1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ АТМОСФЕРЫ «ХОРОШЕЙ» ПОГОДЫ

Все процессы в облаках происходят при постоянном взаимо­ действии облачного воздуха с окружающим воздухом. Электриче­ ство атмосферы является, таким образом, фоном для электриче­ ских процессов в облаках, но вместе с тем электричество облаков в значительной степени формирует электричество атмосферы. Для большей определенности рассмотрим электричество атмосферы при «хорошей» погоде. Под «хорошей» погодой принято понимать условия в атмосфере, при которых отсутствуют такие метеорологи­ ческие явления, как облака, туманы, пыль, осадки, сильный ветер и пр., приводящие к возмущению ее электрических характеристик. Остановимся на данных только для тропосферы, так как грозовая деятельность в основном наблюдается в этой части атмосферы.

Электрическое поле «хорошей» погоды направлено сверху вниз, т. е. земля заряжена отрицательно, а атмосфера — положительно. Это направление поля принято считать нормальным, а вертикаль­ ный градиент потенциала — положительным1. Градиент потенци­ ала у поверхности земли в среднем равен 130 В/м, несколько выше на материках и несколько ниже на океанах. Для Советского Со­ юза приведем следующие значения среднего годового градиента потенциала: Слуцк (Ленинград) 171 В/м, Свердловск 149, Ташкент 120 [179], Зуй (вблизи Иркутска) 119 [20], Якутск 86, Алма-Ата 116, Тбилиси 126 В/м. Среднее значение градиента потенциала «хорошей» погоды для Советского Союза равно 126 В/м [155].

1 Градиент потенциала равен напряженности поля с обратным знаком.

7

Годовой ход градиента потенциала электрического поля для северного полушария простой, с минимумом летом и максимумом зимой [154]. В Слуцке и Зуе минимум наступает в июне, а макси­ мум— в феврале, тогда как в Ташкенте — соответственно в мае и январе [155].

Суточный ход напряженности электрического поля над поляр­ ными областями и океанами имеет вид простой волны, а над кон­ тинентами — вид сложной волны с двумя максимумами. В Слуцке [4] летом максимумы наступают в б—7 и 23—24 ч, минимумы —

в4—5 и 13—14 ч местного времени. В январе максимум наступает

в18—19 ч, минимум — в 4—5 ч. При изучении суточного хода на­ пряженности электрического поля над океанами и полярными областями было обнаружено, что изменения поля в разных пунк­ тах происходят синхронно и имеют примерно одинаковые ампли­ туды. Этот ход получил название унитарной вариации напряжен­ ности электрического поля. На континентах унитарная вариация не наблюдается вследствие ряда причин, приводящих к искаже­ нию градиента потенциала. Это в первую очередь большие объем­ ные заряды в атмосфере, особенно вблизи земной поверхности, претерпевающие значительные периодические и непериодические изменения, изменения проводимости атмосферы и электродный эф­ фект (влияние хорошо проводящей поверхности земли).

По величине напряженности поля у поверхности земли можно определить поверхностную плотность ее заряда. У поверхности земли напряженность электрического поля Е0 связана с поверхно­ стной плотностью заряда а соотношением

Так как значения диэлектрической проницаемости для воздуха

=130 В/м, находим сг~1 ■ІО-9 Кл/м2.

Свысотой происходит быстрое уменьшение напряженности электрического поля, которое связано с плотностью объемного за­ ряда атмосферы р уравнением Пуассона для одномерной задачи

жение (2) позволяет найти распределение объемных зарядов с вы­ сотой.

Распределение электрического поля с высотой над континен­

вая — экспоненциальное убывание напряженности поля с высотой;

8

вторая — экспоненциальное убывание с высотой, но с переменой знака, чаще всего на высотах 3500—4000 м; третья — рост напря­ женности поля в слое перемешивания атмосферы, а затем убыва­ ние с высотой, часто с переменой знака на высотах 3500—4000 м. Подобные профили электрического поля наблюдались при изме­ рениях, проведенных различными методами в разных частях света.

И. М. Имянитов и Е. В. Чубарина [72] построили профили объ­ емного заряда по данным о ходе напряженности поля с высотой. Для первой группы профили объемного заряда подобны профи­ лям напряженности поля. Средняя плотность объемного заряда столба воздуха в Ленинграде, Киеве и Ташкенте соответственно

И км

Рис. 1. Распределение объемного заряда сво­ бодной атмосферы с вы­

/ — Ленинград, 2 — Киев, 3 — Ташкент.

равна 1,6; 1,3 и 0,7 • ІО-13 Кл/м3. Профили объемного заряда второй группы подобны профилям первой группы. На рис. 1 приведены профили третьей группы. В этих случаях атмосфера в слое обмена поляризуется: в нижней части находится отрицательный заряд, в верхней — положительный. Средняя плотность отрицательного заряда для Ленинграда, Киева и Ташкента составляет соответст­ венно 5,3; 11,8 и 7,9’ ІО-13 Кл/м3, а положительного — соответст­ венно 0,7; 2,0 и 3,3- ІО-13 Кл/м3. Кларк [266] получил подобным об­ разом для Центрального Канзаса (США) среднюю плотность объемного заряда около 2 - 10-12 Кл/м3.

Максимальные значения плотности наблюдаются в слое об­ мена под инверсией температуры, их уровень совпадает с уровнем максимальной концентрации ядер конденсации. Максимальные значения плотности объемного заряда над сушей и над морем наблюдаются в нижнем километровом слое.

Наблюдения с самолета за объемным зарядом были вы­ полнены Муром и др. [449] в Центральном Иллинойсе (США)

9

с помощью прибора, основанного на методе фильтра В. Н. Оболен­ ского. Плотность объемного заряда превышала 1,5-ІО-11 Кл/м3. Максимальные значения плотности объемного заряда и напряжен­ ности поля во всех случаях наблюдались в слое обмена, непосред­ ственно под инверсией температуры в области дымки. Над морем максимум величины объемного заряда оказался более чем на по­ рядок меньше, чем над сушей: 2 • ІО-12 Кл/м3.

Распределение объемных зарядов устанавливается в значитель­ ной степени под влиянием токов проводимости в атмосфере.

Проводимость воздуха определяется содержанием и подвиж­ ностью ионов в нем, а именно:

ких уменьшается. Наблюдения в городах, где запыленность воздуха велика, подтверждают это. В Слуцке средние кон­ центрации п += 1,17 • 109/м3 и УѴ± =5,16 • 109/м3 [179], тогда как

в центре Киева п+= 8 -108/м3 и N +=6,8 • 10І0/м3 [127]. Если сопо­ ставить вклад легких и тяжелых ионов в проводимость атмосферы, то легко обнаружить, что второй член выражения (3) мал по срав­ нению с первым. Поэтому (3) можно с достаточной точностью записать следующим образом:

где п+, и+, п- и и. — средние значения соответствующих величин. Экспериментальные измерения спектра подвижности ионов под­ тверждают представление, что проводимость воздуха практически

определяется легкими ионами.

В атмосфере в условиях «хорошей» погоды течет вертикальный электрический ток, плотность которого равна

Здесь іс, id и ih — соответственно токи проводимости, диффузии и конвекции; k — коэффициент турбулентной диффузии; ѵ — ско­ рость вертикального переноса объемного заряда конвективным по­ током.

10

Оценки показывают, что в условиях «хорошей» погоды в сред­ нем плотность токов диффузии и конвекции имеет порядок ІО-14 А/м2, т. е. может составлять только несколько процентов от плотности тока проводимости, но в отдельных случаях в пределах слоя обмена может достигать значений того же порядка, что и ток проводимости [368]. Так что полный ток в атмосфере определяется в основном током проводимости. Среднее годовое значение тока

XI О-12 А/м2.

В условиях «хорошей» погоды в атмосфере отсутствуют такие дополнительные источники токов, как, например, грозовые об­ лака, которые являются мощными генераторами электричества. Поэтому можно полагать, что плотность тока в областях «хоро­ шей» погоды с высотой остается постоянной. По данным Краакевика [368], который одновременно измерял проводимость и напря­ женность поля с самолета, ток проводимости выше слоя обмена остается постоянным с точностью до 10%. Над океанами постоян­ ство тока проводимости с высотой проявляется с особенно большой точностью. Колебания лежат в пределах ±2% .

Сростом содержания аэрозолей в атмосфере и, следовательно,

суменьшением концентрации легких ионов должна расти и напряженность электрического поля. Типичным аэрозолем в атмо­ сфере являются ядра конденсации, поэтому с ростом их концентра­ ции должна расти напряженность электрического поля. Действи­ тельно, измерения обнаруживают параллельный ход напряженности поля и концентрации ядер конденсации с высотой [37, 77]. Даже по данным ограниченного числа зондирований в Киеве линейная

зависимость между напряженностью поля и концентрацией ядер хорошо прослеживается [87].

Концентрация легких ионов в атмосфере зависит от интенсив­ ности ионизации молекул воздуха излучением радиоактивных при­ месей и космическими лучами. Так как источником радиоактивных примесей является земная поверхность, то с высотой интенсив­ ность ионизации радиоактивных примесей Ітуменьшается. Косми­ ческие лучи, проходя через толщу атмосферы, несколько ослабе­ вают, и интенсивность ионизации космических лучей /с с высотой растет. В приземных слоях воздуха на интенсивности ионизации сказывается также излучение радиоактивных веществ Ig, находя­ щихся в почве. Уравнение баланса концентрации легких ионов в свободной атмосфере можно написать приближенно в следую­ щем виде:

где а, ß и у — соответственно коэффициенты рекомбинации легких ионов одного знака с легкими и тяжелыми ионами противополож­

11