Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

скорости восходящих токов, ZmaxH. т — максимальной скорости нис­ ходящих токов («тахн. т), £пзл— излома кривой градиента тем­ пературы; для градиентов температуры: уі — от поверхности земли до zосы, У2 — от Zooh до 2ИЗЛ и у3 — от 2ИЗЛ до zBepm; для температуры: Ѳ3 — у поверхности земли, Ѳ0сн— в основании облака, 0верш — в вер­ шине облака. Для расчетов принималось, что скорости восходящих и нисходящих токов и водность изменяются линейно с высотой. Скорости вертикальных токов равны нулю у поверхности земли и в вершине облака. Водность равна нулю в основании и вершине облака.

Рис. 36. Рост сферических гидрометеоров при падении в кучево­ дождевом облаке.

Результаты вычислений представлены на рис. 36 и в табл. 23. В этой таблице приняты следующие обозначения: z3, zr и zT — со­ ответственно уровни начала счета, границы между областями су­ хого и мокрого роста и уровня полного таяния градины; t и —

соответственно время роста или таяния в пределах соответствую­ щих областей и полное время; RK и dK— соответственно конечные радиус и плотность градин.

Как видно на рис. 36, в случае грозовой модели (кривая а) су­ хой рост снежной крупы происходит почти линейно в пределах высот 7000—5700 м. Радиус крупы увеличивается от 0,5 до 4,1 мм, ее плотность — от 200 до 690 кг/м3, масса — от 1 • 10~7 до 2- ІО-4 кг. Так что в пределах этих высот относительный рост массы крупы весьма значительный — в 2000 раз. Дальнейший рост частицы на­ блюдается в области мокрого роста практически только до уровня максимальной скорости восходящих токов. Он небольшой — радиус

116

изотермы 0°С частица не претерпевает каких-либо заметных измене­ ний. Ниже уровня изотермы 0°С происходит таяние градины, сна­ чала не очень интенсивное — на высоте 2000 м радиус равен 4,8 мм. Но ниже уровня максимальных скоростей нисходящих токов тая­ ние уже более заметное. В результате на высоте около 100 м над поверхностью земли градина достигает радиуса 2,5 мм, т. е. разме­ ров крупной капли. Такая частица может достигнуть поверхности земли в виде капли, так как при радиусе меньше 2,5 мм оиа не раз­ рушается. Таким образом, вычисления показывают, что рассмот­ ренная модель является типичной грозовой: градины, которые об­ разуются в облаке, успевают полностью растаять и на поверхность земли выпадают капли дождя.

Увеличение размеров частицы в области сухого роста градовой модели (кривая б) также почти линейно зависит от высоты, однако происходит значительно быстрее: радиус увеличивается до 6,8 мм на высоте около 8600 м, плотность — до 900 кг/м3, следовательно, масса частицы увеличивается в ІО4 раз. В области мокрого роста скорость увеличения размеров до уровня с максимальными скоро­ стями восходящих токов еще больше: на высоте 7500 м радиус гра­

гает 19,7 мм. С 6000 до 3500 м изменение размеров градины уже невелико. Почти вся вода, аккумулирующаяся на градине, срыва­ ется с нее. Поэтому на этих высотах концентрация крупных капель

внисходящих токах не очень сильно сказывается на ее размерах —

уземли радиус равен 19,2 мм.

Выполненные выше расчеты роста твердых гидрометеоров не­ обходимы для дальнейших расчетов образования и накопления за­ рядов в грозовых облаках. Сейчас это, по-видимому, единственная возможность получить какие-либо приближенные, но сравнительно реальные оценки. Для более полного решения поставленной задачи необходимо учитывать как неоднородность в распределении основ­ ных, влияющих на рост частиц характеристик облака, в том числе электрических, так и различия, в траекториях отдельных частиц.

2.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ КУЧЕВО-ДОЖДЕВЫХ ОБЛАКОВ

Трудности, которые встречаются при изучении различных микрофизических характеристик кучево-дождевых облаков, особенно велики при исследовании электрических характеристик. Измерения некоторых из них являются сложной задачей даже в стационарных условиях; трудности еще более возрастают при исследованиях в свободной атмосфере с самолета или с помощью приборов, вы­ пускаемых в свободный полет. Положение усложняется тем, что летательные аппараты оказывают значительное влияние на точ­ ность измерений, так как при полете в облаках они интенсивно за­

118

ряжаются. Этому вопросу уделено большое внимание, и в первую очередь в обстоятельных монографиях И. М. Имянитова [58, 63]. С другой стороны, измерения в облаках, проведенные горными об­ серваториями, связаны со значительными ошибками, вноси­ мыми влиянием подстилающей поверхности. Эти затруднения при­ вели к тому, что, несмотря на крайнюю необходимость в информа­ ции об электрическом строении кучево-дождевых облаков, ее явно недостаточно для получения ответа на многие важные научные и практические вопросы, возникающие в связи с обеспечением без­ опасности полетов, грозозащитой, радиопомехами и т. п. Поэтому здесь обращено большое внимание на возможно более полное пред­ ставление сведений об электричестве кучево-дождевых облаков.

2.2.1. Заряды облачных частиц и гидрометеоров

Объемные электрические заряды кучево-дождевых облаков со­ стоят в основном из зарядов облачных элементов и гидрометеоров и в какой-то степени из зарядов ионов. Хотя проводимость воздуха грозовых облаков значительно выше, чем свободной атмосферы, и содержание легких ионов велико, их вклад в объемные заряды сравнительно небольшой, так как разность между концентрациями положительных и отрицательных ионов также невелика. К сожале­ нию, сейчас почти полностью отсутствуют сведения о зарядах об­ лачных капелек и ледяных кристаллов в грозовых облаках.

Филипс и Кинцер [469] измеряли заряды облачных капелек в грозовых облаках на вершине горы в Северной Каролине (США), на высоте около 2000 м. Они получили данные для трех гроз при температуре воздуха от 10 до 15° С. В первой и второй грозах (табл. 24) заряды почти всех капелек были отрицательными. Сред­ нее значение зарядов капелек оказалось несколько больше 5,6X ХІ0"17 Кл, а максимальное 6,2 • ІО-16 Кл. В третьей грозе сначала в течение нескольких минут наблюдалась смесь положительно и отрицательно заряженных капелек (За). Затем объем заменился другим, почти полностью состоящим из положительно заряженных капелек (36), а еще через несколько минут — объемом, в котором наблюдалось обычное для негрозовых облаков гауссовское распре­ деление зарядов капель, с максимумом не выше 1,6-10-17 Кл. Сред­ ние заряды капелек для третьей грозы также были большими: по абсолютному значению они превышали 3,2 • 10-17 Кл, а максималь­ ные достигали порядка 3- ІО-16 Кл.

Из табл. 24 видно, что между средними радиусами капелек и средними зарядами отсутствует какая-либо связь.

Недавно Колгейт и Ромеро [271] с помощью привязного баллона измеряли заряды облачных капелек радиусом до 50 мкм в грозо­ вом облаке на высоте 1200 м над вершиной горы высотой 3220 м. ■Баллон вошел в облако на несколько сотен метров. Распределение капелек по размерам имело максимум для радиуса 8 мкм. В любом интервале размеров наблюдались как положительно, так и отрица-

119