Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

ного знака (п_ и ЛА) и с нейтральными частицами (А0). В случае стационарного состояния можно положить dn+/dt = О, тогда

широтный эффект, обязанный своим возникновением отклоняю­ щему действию магнитного поля Земли на космические лучи. На рис. 2 приведены кривые распределения интенсивности новооб­ разования с высотой в результате действия космического излуче­ ния. Как следует из этих кривых, интенсивность ценообразования растет до высоты 12—13 км, а затем уменьшается.

12

У поверхности земли концентрация положительных ионов не­ сколько выше, чем отрицательных (п+/п-^ 1,1), а с высотой это отношение приближается к единице. Отношение полярных прово­ димостей АчД_ у поверхности земли близко к единице, но в неко­ торых случаях значительно больше единицы. Так, отношение А.+Д- равно в Слуцке 1,20, в Ташкенте 1,05, в Киеве 1,05, в Потсдаме 1,25, Давосе 1,13, для Атлантического и Тихого океанов 1,19 [179]. Причиной заметных превышений отношения Я+Д_ над единицей

Рис. 3. Вековой ход эле­ ментов атмосферного электричества в «нор­ мальные» дни. По К. Э. Церфасу [195].

Суммарная проводимость А.:

является электродный эффект. Поэтому в свободной атмосфере отношение Х+/К- должно быть более близким к единице, чем у по­ верхности земли. Было установлено, что над Атлантическим океа­ ном отношение Я-Д+ равно 1,05±0,1 [492], над Техасом (США) 1,03±0,08. В полетах на 48° с. ш. было получено 1,07±0,1 [273].

Примером влияния проводимости на электрическое поле явля­ ется воздействие ионизации атмосферы в результате испытаний атомных бомб на поле. Стюарт [536] в Англии и Португалии об­ наружил уменьшение средней годовой напряженности поля начи­ ная с 1952 г. К 1958 г. это уменьшение стало примерно двукрат­

13

напряженность поля восстановилась до ее нормального значения, а затем, с возобновлением испытаний в 1961 г., началось очеред­ ное уменьшение напряженности поля. Так как этот процесс имел глобальный характер, то он был обнаружен К. Э. Церфасом [195]

сдвигом во времени периодам активных испытаний ядерных уст­ ройств.

1.2.КОНДЕНСАЦИОННЫЙ И КОАГУЛЯЦИОННЫЙ РОСТ к а п е л ь

ВОБЛАКАХ

Уже в мощных кучевых облаках встречаются крупные капли радиусом до 50—100 мкм, а в кучево-дождевых облаках наблю­ даются значительно большие капли и ледяные частицы. Рост ча­ стиц в облаках определяется двумя механизмами — конденсацией или сублимацией водяного пара и коагуляцией.

Бест [230] произвел расчеты скорости роста капельки для тем­ пературы воздуха 273 К и. давления 900 мб. Он получил, что при конденсации водяного пара на сравнительно больших ядрах рост капелек радиусом от 0,75 до 1—2 мкм происходит весьма быстро, за доли секунды. В этих пределах капельки являются достаточно концентрированными растворами, что и является причиной пони­ жения равновесной упругости пара и интенсивной конденсации водяного пара. Но при дальнейшем росте концентрация раствора играет малую роль. Для ядер конденсации с массой ІО-15 кг время роста капелек до радиуса 15 мкм составляет почти 50 мин. Следо­ вательно, в быстро развивающихся конвективных облаках обра­ зование облачных капелек радиусом более 10 мкм нельзя объяс­ нить конденсацией водяного пара. Расчеты показали, что электри­ ческие силы могут влиять на скорость конденсационного роста капелек радиусом не более 1 мкм.

Предпринимались попытки более точно вычислить скорость конденсационного роста капель в условиях пересыщения водяного пара, в частности И. П. Мазиным [НО], В. И. Смирновым [171] и др.; результаты этих расчетов не изменили вывода, сделанного на основании вычислений Беста. В дальнейшем привлекались представления о влиянии на конденсационный рост размеров ядер конденсации, в особенности «гигантских», и пульсаций пересыще­ ния в облаках, а также представление о коагуляционном росте капель.

Процесс коагуляции капелек состоит из их сближения под дей­ ствием каких-либо сил и слияния. К коагуляции капелек могут привести гравитационные, гидродинамические и электрические силы, а также турбулентность воздуха и броуновское движение.

Рассмотрим коагуляцию двух капель, падающих в неподвиж­ ном воздухе под действием гравитационных сил. Капля с большим радиусом R, имеющая большую скорость падения, догонит мень­

14

шую каплю радиусом г и при соударении может с ней слиться. Такая задача была решена Лэнгмюром [109], у которого большая неподвижная капля обтекается воздушным потоком с капельками. Вдали от капли капельки движутся со скоростью потока V, соот­ ветствующей скорости падения капли радиусом R. Вблизи капли происходит ее обтекание потоком воздуха, который только ча­ стично увлекает за собой капельки. Часть капелек вследствие инерции попадает на поверхность капли. Размеры капелек ие учи­ тывались.

Для определения вероятности соударения капелек с крупной каплей Лэнгмюр использовал понятие о коэффициенте соударения

траектории капелек на бесконечности от оси, проходящей через центр капли). Капельки, лежащие вне этой траектории, ие соуда­ ряются с каплей. Следовательно,

(9)

Если число Рейнольдса, соответствующее капле радиусом R, меньше единицы, то силы вязкости будут определяющими вблизи капли и движение капелек будет подчиняться закону Стокса. Для этого случая Лэнгмюр, учитывая скорость ѵ падения капелек ра­ диусом г, получил выражение для коэффициента соударения

в зависимости от условий обтекания, была разработана Л. М. Ле­ виным [100, 102, 103].

15

Для значительно больших капель, например дождевых (R> >0,5 мм), инерция превалирует над силами вязкости, и поэтому течение вокруг капли можно считать потенциальным, т. е. соответ­ ствующим потоку идеальной жидкости без трения. Но при этом учитывается влияние сил вязкости на капельки. Для такого случая Лэнгмюр получил выражение

оказывается непригодным при рассмотрении соударения капелек сопоставимых размеров. Для этого случая необходимо учесть раз­ меры капелек и гидродинамические силы взаимодействия потоков, обтекающих капли. Учет размеров капелек при вычислениях ко­ эффициента соударения был выполнен Н. А. Фуксом [189], Н. С. Шишкиным [200], Мейсоном [115] и др.

С. В. Пшенан-Северин [160, 161] исследовал для двух случаев влияние взаимодействия малых капель близких размеров, находя­ щихся на одной вертикальной оси, на скорость их падения. В пер­

обтекание). Пшенай-Северин обнаружил, что при осееновском обтекании возникают силы, зависящие от отношения радиуса ка­ пель к расстоянию между ними, которые увеличивают скорость сближения капель.

Пирс и Хилл [467] рассмотрели взаимодействие потоков капель в осееновском приближении. Они пришли к выводу, что в кильва­ тере падающей капли возникает область пониженного давления. Это приводит к появлению турбулизированного течения сзади па­ дающей капли. Для капель радиусом свыше 70 мкм наиболее ве­ роятным является процесс засасывания меньших капель в след более крупных, что приводит к увеличению коэффициента соуда­ рения в 10—100 раз по сравнению с коэффициентом соударения, полученным из геометрических соображений.

Для капелек сопоставимых размеров с радиусами от 35 до 100 мкм Телфорд и др. [549], Вудс и Мейсон [580] и др. экспери­ ментально подтвердили существование засасывания капелек мень­ ших размеров в кильватерный след капель больших размеров. Тел­ форд и др. [549] для капелек радиусом 80 мкм (с учетом замеча­ ния Вудса и Мейсона [580] о коррекции значения коэффициента эффективности соударения) получили К ~ 3. Вудс и Мейсон обна­ ружили, что капельки радиусом до 35 мкм создают кильватерный след, который вызывает некоторое ускорение меньших капель, но этого ускорения недостаточно для их слияния с большей каплей.

Хокинг [339] считает, что выводы Пирса и Хилла неприменимы к каплям, находящимся на близких расстояниях. Он предпринял

16