Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 15.10.2024

Просмотров: 169

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

на которой производятся наблюдения, измеренные в этом случае за­ ряды капель должны лучше характеризовать их значения в обла­ ках, но, с другой стороны, высокие горы вносят большие искажения в электрические характеристики атмосферы и могут привести к за­ метному изменению зарядов капель.

Н„ В. Красногорская [91] приводит данные об измерениях заря­ дов капель грозового доладя 16 июля 1954 г. в обсерватории Терскол в долине р. Азау (Эльбрус) на высоте 2140 м. Максимальная интенсивность доладя не превышала 14 мм/ч, так что, скорее всего, над обсерваторией проходила периферия грозового облака. Основ­ ная часть капель имела диаметр до 3 мм, максимальный диаметр 5,7 мм. Нулевая изотерма располагалась на высоте 3800—3900 м. Заряды капель в основном находились в пределах от —7 • ІО-12 до 7 - ІО-12 Кл, т. е. были сравнительно небольшими. Отдельные за­ ряды достигали 10_и Кл. Средние полярные заряды капель оказа­ лись равными 1,7-10~12 и —2 - ІО-12 Кл. Примерно такое же рас­ пределение зарядов наблюдалось в ливневом дожде 28 июля. Какой-либо четкой связи между зарядами и размерами капель обнаружить не удалось.

Заряды капель дождей у поверхности земли должны претерпе­ вать значительное изменение вследствие поглощения ионов в при­ земных слоях атмосферы, концентрация которых при коронировании остроконечных предметов в электрическом поле грозы может быть сравнительно большой. Поэтому по зарядам капель у поверх­ ности земли нельзя, по-видимому, однозначно судить о величине зарядов капель в грозовых облаках. Из того, что заряды капель у поверхности земли всегда меньше их значений в облаках, сле­ дует, что, как показал Симпсон [522], ток коронирования и ток за­ рядов капель имеют противоположные знаки.

Материалов наблюдений над суммарными зарядами капель гро­ зовых дождей и зарядами отдельных капель в разных климатиче­ ских районах накоплено довольно много. Первые измерения сум­ марного заряда дождей были выполнены Эльстером и Гейтелем [290]. Они установили, что возможны три типа распределения сум­ марных зарядов при грозах: 1) все заряды отрицательные; 2) отри­ цательные заряды сменяются положительными; 3) положительные заряды сменяются отрицательными. В дальнейшем результаты этих наблюдений были многократно подтверждены и получены ко­ личественные данные для разных климатических районов. Некото­ рые из этих результатов приведены в табл. 28.

Из табл. 28 следует, что средние значения суммарных зарядов капель грозовых дождей находятся в основном в пределах от 1,5Х ХІ0-4 до ІО-3 Кл/м3 воды, а максимальные примерно на порядок больше. Как правило, отрицательные средние суммарные заряды превышают положительные.

Симпсон [518] установил, что в Шимле (Индия) положительные заряды связаны с наиболее интенсивной частью дождей. Марвик ;[426] в Новой Зеландии обнаружила, что при выпадении града по-


 

 

Т а б л и ц а 28

Суммарные заряды капель грозовых дождей

Суммарный заряд, 10~4 Кл/м3,

 

 

воды

 

Место

максимальный

Условия

средний

Источник

наблюдений

 

измерений

+— + —

Шимла

(Индия)

5.4

6,7

'

66

 

[518]

Дублин

(Ирлан­

 

Две ночные

[438]

дия)

(ГДР)

1.5

1,4

 

 

грозы

[504]

Потсдам

5,0

10,5

 

 

 

Новая Зеландия

2,5

0,92

13

 

Грозы

[426]

Колаба

(Индия)

1,4

1,4

45

43

Град

[221]

0,5

0,43

 

Пуна (Индия)

4,0

2,8

 

 

Гроза, вызы­

1524]

 

 

 

 

 

 

вающая ко-

 

 

 

 

 

 

 

ронирование

 

ложительные заряды почти полностью преобладают над отрица­ тельными (94,6%).

Банержи [221] определил, что в Колаба (Индия) общий заряд, переносимый грозовыми дождями, является отрицательным. Один грозовой дождь в среднем приносит 6,3-ІО-7 и —7,3-10-7 Кл/м2.

А. X. Филиппов [182] в Иркутске для восьми случаев грозовых ливней получил, что среднее абсолютное значение объемного за­ ряда равно 6,2 *ІО-4 Кл/м3 воды, а отношение суммарных зарядов составляет 6,6, т. е. наблюдается многократное превышение поло­ жительных зарядов над отрицательными.

Большое значение для характеристики электричества грозовых дождей имеют измерения зарядов отдельных капель. Данные табл. 29 позволяют сделать некоторые общие выводы. В грозовых дождях у поверхности земли всегда наблюдаются капли с заря­ дами обоих знаков, далее средние величины которых могут коле­ баться в значительной степени. Однако только Гшвенд [319], В. П. Колоколов и К- А. Семенов [85] отмечают преобладание сред­ них положительных зарядов отдельных капель над отрицатель­ ными. Во всех остальных случаях в разных климатических районах средние отрицательные заряды капель больше положительных. Как правило, также наблюдается превышение суммарного отрицатель­ ного заряда над положительным. Это находится в согласии с дан­ ными измерений суммарных зарядов. При оценке достоверности средних необходимо учитывать, что в основном они получены из ограниченного числа случаев. Для большинства гроз средние поло­ жительные заряды капель находятся в пределах (1,3-ч-2,6)Х ХІО-12 Кл, а отрицательные — от —2- ІО-12 до —3,3- ІО-12 Кл. В ак­ тивных грозах средние заряды значительно больше: соответственно

9*

131


(5-г-6,6) • ІО-12 Кл и от —6,6-ІО-12 до —1 0 '10-12 Кл. Максималь­ ные заряды отдельных капель могут, по-видимому, достигать ЗХ ХІО-11 Кл, т. е. значений, на порядок меньших тех, которые на­ блюдаются на высотах внутри грозовых облаков.

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 29

Средние и максимальные заряды

отдельных капель грозовых дождей

 

 

 

Заряд

капель, ІО-12 Кл

 

 

 

Место

средний

 

максимальный

<3+ 1

Источ­

наблюдений

 

ник

 

 

 

 

 

Q-

 

 

+

 

 

Фрейбург (Германия)

2,7

1,9

30,0

30,0

2,12

[319

Дергем

(Англия)2

1,2

3,0

0,35

262

Дергем

(Англия)3

16,3

22,2

343

Кембридж (Англия)

38,0

46,5

525

Бомбей

(Индия)

2,3

2,4

8,0

12,7

222

Саппоро

(Япония)

 

33,0

33,0

415

Вашингтон (США)

5,0

6,3

26,4

36,6

0,60

323

США

 

6,9

10,2

0,80

329

Ленинград (СССР)

2,7

3,5

0,56

[5]

Воейково (СССР)4

8,9

7,6

[85]

Воейково (СССР)5

1,8

3,4

 

 

 

[89]

1 Q+/Q- — отношение суммарных зарядов капель.

2Ливни, близкие по своим характеристикам к грозовым.

3Ливни при коронировании с острий.

4

Измерялись заряды капель больше ± 1 ,3 - ІО-12 Кл для ливней и гроз.

5

Ливень в день с грозой.

Ганн [323] предпринял попытку найти связь между размерами капель грозовых дождей и величиной электрических зарядов. Он пришел к выводу, что

<7^9 • К Г 6/-2.

(39)

Более полно этот вопрос был исследован Хатчинсоном и Чалмер­ сом [343]. Они получили, что для дождей, при которых наблюдается коронный разряд с острий, значение коэффициента в (39) может меняться в самых широких пределах. Однако среднее значение оказалось равным ІО-5, т. е. очень близким к значению, получен­ ному Ганном для гроз. Из этого можно сделать вывод, что условия заряжения капель при коронировании с острий близки к условиям при грозах.

Вопрос о связи между электрическими зарядами осадков и элек­ трическим полем был поставлен Симпсоном [522], который обнару­ жил, что при градиентах потенциала свыше 2 • ІО3 В/м существует ■«зеркальный» эффект, заключающийся в том, что знак заряда осад­

132


ков противоположен знаку электрического поля. Симпсон пытался объяснить этот эффект захватом ионов, возникающих при коронировании острий на поверхности земли в сильном электрическом поле. Для Кью (Англия) была получена следующая корреляцион­ ная связь между плотностью заряда Q (Кл/м3) и током коронирования с отдельного острия I (А):

<2=7,22 • ІО8//?“0,43,

(40)

где R — интенсивность дождя в мм/ч.

Хатчинсон и Чалмерс [343] установили, что почти всегда одно­ временно с каплями, заряды которых соответствуют зеркальному эффекту, имеются капли с зарядами противоположного знака. Со­ поставляя заряды, вычисленные в предположении, что они образу­ ются в результате захвата ионов, и измеренные, Хатчинсон и Чал­ мерс не получили ожидаемого согласия между ними. В связи с этим Ганн и Девин [329] считают, что не поле и токи коронирова-

ния обусловливают заряды

капель в приземных слоях

воздуха,

а объемный заряд капель

создает электрическое поле.

Действи­

тельно, сопоставляя токи конвекции и токи проводимости у поверх­ ности земли, они пришли к выводу, что первые могут значительно превышать вторые.

Одновременные наблюдения над зарядамикапель и напряжен­ ностью поля, выполненные Магоно и Ориказа [415] возле Саппоро (Япония), показали, что между ними нет какой-либо четкой связи. Наблюдаемая при грозах смесь положительно и отрицательно за­ ряженных капель практически не зависит от напряженности поля, которое претерпевает значительные колебания в период интенсив­ ного дождя. Магоно и Ориказа считают, что колебания поля обус­ ловлены не грозовыми разрядами, а флуктуациями объемного за­ ряда капель интенсивного ливня; при этом они отмечают, что силь­ ные и частые колебания поля в ливнях и снеге наблюдаются и при отсутствии грозовых явлений.

Одновременные измерения зарядов отдельных капель, тока коронирования и напряженности электрического поля при грозах были выполнены Коббом и др. [267] на горе Уошберн (Вайоминг, США) на высоте около 3 км. Было получено, что между зарядом капель, напряженностью электрического поля и током коронирования существует весьма тесная, а в отдельные дни даже функцио­ нальная связь. В то же время обнаружился и параллелизм в ходе напряженности поля и зарядов отдельных капель.

2.2.2. Электрическое поле

Разделение разноименно заряженных облачных частиц и гид­ рометеоров приводит к образованию в грозовых облаках элек­ трического поля. Вследствие большой динамичности процессов в грозовых облаках распределение зарядов в них быстро видоизме­ няется, а вместе с тем происходит столь же быстрое изменение

133


распределения электрического поля. Поэтому весьма существенно получение общих характеристик распределения зарядов и электри­ ческого поля в зависимости от стадии развития грозовых облаков. Однако выполнение этой задачи в полном объеме сейчас еще невоз­ можно из-за ограниченности данных измерений.

Первые, представляющие значительный интерес исследования распределения электрического поля были выполнены Симпсоном и

Скрейзом [524], Симпсоном и Робинсоном

[523] в Кью (Англия)

с помощью зондов (альтиэлектрографов).

Недостатками этого ме­

тода были отсутствие достаточно точных сведений о траектории полета зонда внутри грозового облака, неточность измерения вели­ чины напряженности поля, приводящая к весьма большим ошиб­ кам (при правильном определении направления поля), и искре­ ние между электродами в полях высокой напряженности. Несмотря на это, исследования позволили получить многие характерные черты распределения поля с высотой.

Согласно Симпсону, в верхней части грозовых облаков, на вы­ сотах больше 7 км, при температурах обычно ниже— 10° С наблю­ даются положительные заряды. Ниже, в интервале высот примерно 2—7 км, расположена область с отрицательными зарядами с цент­ ром вблизи уровня изотермы 0°С. Вторая, более слабо выражен­ ная область положительных зарядов находится при положительных температурах — она не всегда обнаруживается. Эти данные были подтверждены Чепменом [263], который также проводил наблюде­ ния с помощью зондов. В среднем размеры областей (если считать их сферами) примерно следующие: радиус верхней положительной области около 2 км, отрицательной около 1 км, нижней положитель­ ной около 0,5 км. Однако в отдельных облаках или в разных ча­ стях грозового облака с несколькими ячейками наблюдалось иное распределение заряженных областей. В некоторых случаях над верхней областью положительных зарядов обнаруживалась область отрицательных зарядов. Область положительных зарядов в нижней части облака могла простираться выше уровня изотермы 0°С.

В. И. Арабаджи [8] в 1955

г.

провел в Минске наблюдения

с зондами в грозовых облаках

(9

июля во фронтальных облаках,

2 августа в малоподвижной грозе). Непосредственно под уровнем изотермы 0°С наблюдалась отрицательная напряженность поля, которая в области температур 0—10° С сменялась положительной напряженностью. Претерпевая те или иные изменения, напряжен­ ность поля оставалась положительной до предельных высот 9— 11 км.

Детальный анализ результатов нескольких полетов в грозовых облаках был произведен в США Ганном [322]. 5 августа 1944 г. на высоте около 3900 м в активной грозе на трассе протяженностью около 13 км наблюдались две последовательные области с положи­ тельной и отрицательной напряженностью поля; их ширина состав­ ляла около 4 км, и в каждой из них существовал резко выражен­ ный максимум напряженности поля. В области с положительной на­ пряженностью он достигал 2- ІО5 В/м, а в области с отрицательной

134