Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

необходимо вкратце остановиться на современных представлениях о развитии молнии.

Развитие разряда из облака на землю начинается с образова­ ния стримера, который продвигается ступеньками длиной 10—200 м. В конце каждой ступеньки происходит задержка движения стри­ мера, так называемого ступенчатого лидера, которое затем во­ зобновляется, и стример проходит очередную ступеньку и т. д. до момента приближения к земле. В результате продвижения стри­ мера образуется ионизированный канал ступенчатого лидера мол­ нии. По каналу лидера развивается с поверхности земли главный возвратный удар молнии, который переносит основной заряд мол­ нии. Средняя скорость продвижения ступенчатого лидера порядка ІО4—10s м/с, тогда как скорость главного удара ІО7—ІО8 м/с. Ток, протекающий в канале главного удара, достигает 2- ІО5 А. Обычно вслед за первым, ступенчатым лидером через сотые доли секунды происходит развитие по тому же каналу стреловидного лидера. Скорость его распространения по ионизированному каналу больше скорости ступенчатых лидеров: (1 -т-2) *10® м/с. После достижения поверхности земли по каналу стреловидного лидера проходит вто­ рой главный возвратный удар. Этот процесс может многократно повторяться; в среднем молния включает три главных разряда.

Типичная осциллограмма напряженности поля при грозовом разряде на землю представлена на рис. 46. Сначала наблюдается

L R J RS

Рис. 46. Осциллограмма изменения напряженности электрического поля при удаленных ударах мол­ нии, переносящих на землю отрицательный заряд.

рост напряженности поля на участке со средней длительностью около 0,1 с, который соответствует развитию ступенчатого лидера. Затем наблюдается скачкообразный рост напряженности поля (R), соответствующий возвратному удару, длительность которого около 1 мкс. Далее следует участок /, обусловленный прохождением стре­ ловидного лидера со средней длительностью около 0,03 с. В конце процесса развития молнии наблюдается участок S, в течение кото­ рого происходит сравнительно медленное возрастание напряжен­ ности поля, продолжающееся в среднем около 0,12 с.

Малан и Шонланд [422], исследуя изменения поля на участке J, сделали ряд заключений о динамике разряжения облачных зарядов на землю. Они установили, что на расстояниях до 5 км изменения поля на этом участке отрицательные, а свыше 12 км — положитель­ ные. Это означает, что происходит нейтрализация положительных зарядов в разветвленной вершине канала молнии. Отрицательный

около 4 км. Высота разрядов отрицательного заряда на землю уве­ личивается последовательно в среднем на 0,7 км.

146

Представление Малана и Шонланда [422] о том, что в грозовых облаках примерно от уровня изотермы 0°С вверх на высоту около б км простирается отрицательный, вертикально расположенный за­ ряд, не всегда подтверждается. Малан [420] обнаружил, что для гроз Южной Африки на расстояниях свыше 20 км в 75% случаев изменения напряженности поля на участке J отрицательные или равны нулю. Это указывает на вероятность возникновения в ряде случаев разрядов из положительно заряженной области, располо­ женной над уровнем изотермы 0°С. Последнее обстоятельство хо­ рошо иллюстрируется данными, полученными Уормелем [588] (табл. 34).

Т а б л и ц а 34

Повторяемость (% ) разрядов молнии в Кембридже (Англия). По Уормелю [588]

Как следует из табл. 34, наряду с переносом отрицательных за­ рядов вниз при разрядах на землю, наблюдается перенос положи­ тельных зарядов в этом направлении, что указывает на существова­ ние в нижней части облака положительного заряда. При разрядах внутри облака, кроме разрядов, при которых происходит перенос отрицательного заряда вверх, наблюдается заметное число случаев переноса его вниз, что также свидетельствует о возможности су­ ществования в вершине облака отрицательного заряда, а внизу — положительного.

Исследования процесса переноса заряда при грозовых разря­ дах получили дальнейшее развитие в работах Китакава и др. [363]. Они установили, что среди многократных разрядов молнии на землю наблюдаются такие, которые сопровождаются длительным излучением, в пределах 40—500 мкс. В течение этого продолжи­ тельного «гибридного» разряда на землю переносится больший за­ ряд, чем при обычном дискретном ударе. Китакава и его коллеги

гократного гибридного разряда было получено 33,9 Кл и 346 КлХ Хкм. Максимальный заряд и момент оказались соответственно равными 79 Кл и 889 Кл • км. Упомянутые авторы, так же как

Малан и Шонланд [422], получили, что каждый последующий разряд происходит с более высокого уровня, чем предыдущий. Так, среднее изменение уровня для дискретных разрядов составляло 0,3 км, а для интервалов длительного излучения наиболее часто изменения высоты находились в пределах 0,9—1,6 км. Брук и др. [246] пришли к выводу, что участок /, который, согласно Малану и Шонланду [422] и др., связан с процессом переноса зарядов внутри облакЭі также может быть связан с длительным током на землю. Брук и др. считают, что большие скачки потенциала, полученные Мала-

При грозовых разрядах происходит уменьшение электрического момента в грозовых облаках, т. е. нейтрализация зарядов и соот­ ветственное уменьшение напряженности электрического поля. Вслед

ления поля в грозовых облаках заключается в следующем. В об­ лаке в результате генерации зарядов к какому-то моменту времени накапливаются большие и одинаковые заряды обоих знаков, рав­ номерно распределенные по всему объему. Заряды одного знака находятся на гидрометеорах, а противоположного — в окружающем их воздухе (рис. 47). Гидрометеоры переносят заряд вниз с посто­

148

янной относительной скоростью ѵ. Вследствие этого граница отри­ цательных зарядов переносится за время dt на расстояние dh = = vdt. На такое же расстояние смещается и верхняя граница, где образуется такой же слой с положительными зарядами. Между этими слоями, как между обкладками плоского конденсатора, обра­ зуется электрическое поле. Поле будет действовать против грави­ тационных сил, так что образование зарядов и прирост напряжен­ ности электрического поля будут замедляться. Оказывается, что при таком предположении замедление процесса образования за­ ряда происходит по экспоненциальному закону. Но предположение о влиянии электрических сил на скорость падения гидрометеоров (капель, градин) не соответствует действительности, так как при напряженностях поля, которые, как показали непосредственные измерения, наблюдаются в грозовых облаках, изменение скорости падения крупных частиц незначительно.

Более правильным является представление И. М. Имянитова [77]. Если принять, что генерация гидрометеоров с зарядом q про­

В (47) первый член справа представляет собой линейную ско­ рость накопления зарядов в области толщиной А, определяемую скоростью разделения зарядов в облаке. Второй член характери­ зует потери заряда вследствие проводимости %, а третий член — потери вследствие турбулентности, которые приблизительно равны

где р — коэффициент турбулентности; р — плотность объемного за­ ряда.

Решая уравнение (47), получим

**Ш + ре0

Как указывает И. М. Имянитов, турбулентность в облаках иг­ рает ту же роль, что проводимость, и поэтому на основании (49) можно определить эффективное время релаксации для скорости восстановления зарядов и полей после разряда молнии:

ТэФ ~ Ш / е 0 + р ‘

Скорость падения крупных капель около 8 м/с, время релаксации около 7 с, поэтому А«50 м. Можно считать, что в грозовых обла­ ках А«10-12 См/м (И. М. Имянитов [57], Эванс [293]). Отсюда А,А2/е0« 3 - ІО2 м2/с, тогда как значение р для грозовых облаков

149