Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Таблица 24

Средние заряды и средние радиусы облачных капелек в грозовых облаках. По Филипсу и Кинцеру [469]

тельно заряженные капельки с некоторым превышением количе­ ства вторых над первыми. Почти для всех интервалов размеров встречались капельки с большими отрицательными зарядами — около 3,2- ІО-16 Кл. Максимальные положительные заряды капелек не превышали 1,6* ІО-16 Кл. Колгейт и Ромеро установили, что

Рис. 37. Ход напряженности Е электрического поля (1) и по­ лярных объемных зарядов р (2 и 3) на вершине горы в грозе.

По Филипсу и Кинцеру [469].

между средним зарядом и радиусом капелек существует квадра­ тичная связь. Необходимо отметить, что все полученные ими дан­ ные основывались на сравнительно малом числе измерений зарядов и размеров капелек и поэтому в какой-то степени являются случай­ ными.

Филипс и Киндер [469] приводят также ход напряженности элек­ трического поля (рис. 37) во время наблюдений за третьей грозой (см. табл. 24). На рис. 37 представлены также приближенные дан­ ные о полярных объемных зарядах, вычисленных на основании из­ мерений зарядов отдельных капелек в предположении, что их кон­ центрация равна ІО8 м_3. Величина объемного заряда оказалась

120

равной примерно 3' ІО-9 Кл/м3. Как видно из рис. 37, напряженность в нижней, положительной части грозовых облаков может несколько превышать 2 -ІО4 В/м и претерпевает сравнительно быстрые измене­ ния. В области, где наблюдались положительные и отрицательные заряды капелек, обнаруживаются как положительные, так и отри­ цательные значения напряженности электрического поля. Воз­ можно, что эти изменения поля происходят вследствие флуктуаций зарядов в области со смешанными зарядами.

Заряды жидких и твердых гидрометеоров в грозовых облаках II непосредственно под ними измеряются с самолетов, с помощью радиозондов специальной конструкции и на горных станциях. Од­ нако сейчас еще сравнительно мало сведений, чтобы можно было построить однозначную модель распределения зарядов гидрометео­ ров в грозовых облаках. Более того, есть все основания полагать, что вследствие многообразия типов развития кучево-дождевых об­ лаков грозы должны описываться несколькими моделями. Значи­ тельно более полные сведения имеются об измеряемых у поверх­ ности земли зарядах капель грозовых дождей.

Измерения зарядов гидрометеоров в грозовых облаках были выполнены Ганном [324], Мак-Криди и Праудфитом [405]. Пред­ ставляют также интерес измерения зарядов частиц, осуществлен­ ные Ганном [321], Н. В. Красногорской [90], И. М. Имянитовым и В. В. Михайловской [68], Мак-Криди и Праудфитом [405] в ливне­ вых облаках смешанной структуры, близких по своему строению к грозовым облакам.

Ганн [324] измерял с самолета заряды и концентрацию капель дождя в грозовых облаках. Из табл. 25 следует, что почти на всех высотах в грозовом облаке существует смесь положительно и от­ рицательно заряженных капель. Однако если обратиться к распре­ делению средних зарядов капель каждого знака по трассам

Т а б л и ц а 25 Средние заряды капель в грозовом облаке 24 июля 1945 г. По Ганну [324]

121

высоте 1500 м, в теплой части облака, на каждом участке были об­

что в более активных грозах максимальные заряды могут значи­ тельно превышать 10~10Кл.

Отметим измерения И. М. Имянитова и В. В. Михайловской [68] при двух полетах по периферии грозового облака 25 августа 1955 г. на трассе Кишинев—Киев. Они получили средние и макси­ мальные заряды капель: —0,12-10-10 и —0,35- 10-10 Кл, —1 • 10-10

и —0,28- ІО-10 Кл соответственно.

Мак-Криди и Праудфит [405] произвели два полета в грозовых

122

мерялись с самолета при полете по нисходящей спирали, во время которого наблюдался один грозовой разряд. Основание облака на­ ходилось на высоте 5570 м при температуре —8,8° С. В этом полете

смены знаков зарядов не могут произойти за счет медленных нако­ пительных процессов электризации, например, при таянии, как это представляют себеМак-Криди иПраудфит. По-видимому, здесь про­ исходят какие-то весьма быстрые и интенсивные процессы электриза­ ции гидрометеоров. При полете вблизи Форта-Коллинса в грозовых осадках при температурах от 1 до —1°С наблюдались положи­ тельные заряды, а ниже при температурах от 7 до 19° С — отрица­ тельные. К сожалению, в этом полете не были зафиксированы вели­ чины зарядов частиц.

При анализе данных Мак-Криди и Праудфита необходимо учитывать следующее обстоятельство: при спиральном опускании

123

или подъеме самолета нет уверенности, что самолет все время находится в одной и той же области осадков. При сопоставлении ре­ зультатов наблюдений Мак-Криди и Праудфита, с одной стороны, и Ганна — с другой, необходимо также учитывать, что у первых двух авторов облака находились при отрицательных температурах и измерения производились под облаками, а у третьего — при от­ рицательных и положительных температурах, причем измерения производились в самом облаке.

Лезем и Стоу [390] также провели в районе Флагстаффа иссле­ дования электрических зарядов в мощных конвективных облаках,

°с

-2 0 г

-10 L

В/м

Рис. 40. Ход заряда q гидрометеоров, напряженности электрического поля Е и температуры Ѳ при горизонтальном полете через небольшое кучево-дождевое облако. По Лезему и Стоу [390].

в которых в последующем часто развивались интенсивные осадки и грозовые разряды. Одновременно измерялись напряженность электрического поля, водность, концентрация капель и ледяных кристаллов, фиксировалась форма ледяных частиц. Для иллюстра­ ции приведем результаты полета в сравнительно небольшом об­ лаке, соответствующем началу зрелой стадии развития кучево-дож­ девых облаков (рис. 40). Для таких облаков характерны частицы как с положительными, так и с отрицательными зарядами при не­ котором превышении числа отрицательных зарядов. Величина за­ рядов часто превышала 2 -10-10 Кл. Поле, как правило, имело по­ ложительное направление, его напряженность была не больше ІО4 В/м. В более развитых облаках наблюдалось такое же рас­ пределение зарядов частиц, но их величина часто превышала ЗХ

124

ХІО-10 Кл. Во всех случаях, когда наблюдались значительные за­ ряды, встречались ледяные частицы с максимальными размерами до 2 мм. В полетах ниже основания облаков в осадках при темпе­ ратурах выше 0°С обнаруживались области протяженностью в не­ сколько сотен метров с зарядами одного знака, которые сменялись областями со смешанными зарядами. Величина зарядов достигала З -К Н 0 Кл.

На основании полетов на разных высотах Лезем и Стоу при­ шли к выводу, что типичным для кучево-дождевых облаков в зре­ лой стадии является положительное поле, но встречаются случаи, когда поле имеет обратное направление. К сожалению, эти инте­ ресные исследования не сопровождались наблюдениями за верти­ кальными токами. Но так как'полеты производились в кучево-дож­ девых облаках, находящихся в начале зрелой стадии развития, то можно заключить, что в них господствовали восходящие токи.

Так как мы полагаем, что различия между процессами, обуслов­ ливающими электризацию в грозовых и ливневых облаках, в ос­ новном количественные, а не качественные, то приведем также дан­ ные наблюдений над зарядами в ливневых облаках. Заметим, что еще Ганн [321] пришел к выводу, что если бы разделить заряды разных знаков, наблюдаемые на частицах в ливневых облаках, то их количества хватило бы для возникновения грозового разряда.

Ганн [321] наблюдал заряды гидрометеоров в ливневом облаке 27 июля 1945 г. в штате Миннесота (США). На высотах 6000 м и выше обнаруживались только положительные заряды, тогда как ниже 3000 м — только отрицательные. В пределах высот 3000—

на 3600 м —0,33-10-10 Кл и +0,14 • 10-10 Кл, на 6000 м +0,21 X

ХІ0-10 Кл. Если сопоставить данные для ливня с данными для отдельных струй в грозовом облаке (см. рис. 38), то подобие в рас­ пределении выступает довольно отчетливо. Вместе с тем заряды капель в грозовых облаках заметно больше, чем в ливневых. Так, число частиц с зарядами, превышающими 3 ■10-11 Кл, в ливневых облаках сравнительно мало.

Н. В. Красногорская [90] провела ряд измерений зарядов ка­ пель с самолета в кучево-дождевых облаках в районе г. Бологое

вом случае имело место многократное превышение количества от­ рицательно заряженных капель над числом положительно заря­ женных капель, тогда как во втором случае такое соотношение встречалось только на некоторых, преимущественно низких уров­ нях. На уровнях выше изотермы 0°С наблюдалось значительное превышение числа положительно заряженных капель над количест­ вом отрицательно заряженных капель. Это указывает на вероят­ ность существования разных процессов электризации в кучево-дож­ девых облаках. Основная масса капель имела заряды около

125