Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Шонландом [506]. На основании этих измерений он принял, что под центральной частью грозового облака среднее значение тока с одного дерева равно 0,8 мкА. При этом оказалось, что отрица­ тельный ток с дерева был пренебрежимо мал по сравнению с по­ ложительным. Для предполагаемой густоты деревьев, отстоящих друг от друга на 5 м, Шонланд получил, что плотность суммарного тока под грозой равна 16- ІО-6 А/м2. Зависимость тока с острия от напряженности поля для установки Шонланда иллюстрируется табл. 37.

Перри и др. [468] измеряли ток с острия в Нигерии. В среднем при грозах отток положительных зарядов превышает приток при­ мерно в 2,5 раза. Сиварамакришнан [525] провел в Пуне (Индия) измерения тока с острия, установленного на высоте 17,8 м; измере­ ния показали, что под грозой плотность тока истечения находится в пределах (0,1-н0,3) • 10_6 А/м2. Эти значения оказались значи­ тельно более низкими, чем полученные другими авторами.

Согласно В. В. Зыковой [54], в Южно-Сахалинске при грозах отток положительных зарядов из острия в 3,5 раза больше притока.

Для получения значений токов с деревьев, находящихся в есте­ ственных условиях, Маунд и Чалмерс [437] разработали способ из­ мерений, не требующий изоляции дерева от земли. Они обнару­ жили, что ток коронирования с дерева значительно меньше, чем было получено ранее. Мильнер и Чалмерс [445] провели измерения тока коронирования с деревьев еще одним способом, не нарушаю­ щим их естественного состояния. Они получили аналогичные ре­ зультаты. Обнаружилось также, что при быстрых изменениях поля, вызванных грозовыми разрядами, колебания тока с дерева вообще отличаются от таковых для острия (Чалмерс [260]).

М. Н. Герасимова [33] измеряла ток с острия, установленного на Эльбрусе на высоте 4250 м. При близкой грозе наблюдался максимальный ток до 152 мкА, т. е. значительно больший, чем на равнине. Причинами этого являются пониженное давление и бо­ лее высокое значение градиента потенциала. При близких грозах отток положительных зарядов с острия значительно превышал их приток.

2.2.8. Объемные заряды

При рассмотрении вопроса об объемных зарядах в грозовых об­ лаках следует отличать суммарный заряд данного объема, создава­ емый всеми носителями, находящимися в нем, от объемного заряда,

156

создаваемого зарядами только гидрометеоров. Нас будет интересо­ вать именно суммарный заряд, так как электрическое поле в гро­ зовых облаках обусловливается распределением объемных заря­ дов. Поскольку отсутствуют данные непосредственных измерений суммарного объемного заряда в грозовых облаках (известно только небольшое число измерений зарядов гидрометеоров, о которых уже упоминалось), по распределению напряженности поля, используя уравнение Пуассона, можно найти величину объемных зарядов, если можно пренебречь горизонтальными составляющими поля:

1 дЕ

Здесь р — объемный заряд; Е — напряженность поля; z — высота. На основании многочисленных исследований в мощных кучевых и грозовых облаках И. М. Имянитов [61] получил данные об объ­

большие средние объемные заряды и особенно большие скорости их накопления. Можно полагать, что экстремальные значения, кото­ рых может достигать плотность объемного заряда в малых объ­ емах, достаточны для инициирования грозовых разрядов.

Весьма существенным является вопрос о напряженности поля, при которой происходит начальное образование разряда. Предпо­ лагается, что для дальнейшего развития молнии требуется значи­ тельно меньшая напряженность поля. И. М. Имянитов и Т. В. Лободин [67] считают, что для возникновения молнии достаточна на­ пряженность ІО6 В/м. Максимальная измеренная напряженность поля при ударе молнии оказалась равной примерно 4 ■ІО5 В/м, и, так как нет оснований полагать, что измерения были выполнены именно в том объеме, где инициировался разряд, можно считать, что действительное значение лежит где-то между 10® и 4-10® В/м.

Размеры областей инициирования грозовых разрядов должны быть значительно меньше размеров основных заряженных областей.

157

Отдельные грозовые ячейки имеют по горизонтали не более 10 км, поэтому предполагается, что размеры основных областей зарядов в них не превышают нескольких километров. Объемы с максималь­ ной плотностью' зарядов, где происходит инициирование молний, должны быть еще на порядок меньше, т. е. их линейные размеры составляют несколько сотен метров. Исследования этого вопроса были выполнены Имянитовым и Лободиным [67] по измерениям электрического поля и собственного заряда самолета ТУ-104 при полетах в двух активных и 25 разрушающихся грозовых облаках

(табл. 39).

Согласно табл. 39, в зрелых грозовых облаках существуют зоны неоднородности с размерами примерно до 2000 м; максимальной повторяемостью характеризуются зоны размером 200—400 м. В процессе распада грозовых облаков ширина зон растет. Так, максимум повторяемости перемещается на интервал 400—600 м. Как указывают авторы [67], в мощных кучевых облаках размеры зон в основном не превышают 500 м, а максимум повторяемости приходится на интервал 50—100 м. Таким образом, по мере разви­ тия облаков от мощных кучевых к грозовым происходит увеличе­ ние размеров зон неоднородности.

Следуя [67], вычислим плотность объемного заряда в зоне неод­ нородности, достаточную для образования напряженности пробоя 10е В/м. Пусть зона неоднородности представляет собой сферу ра­ диусом 100 м; тогда плотность объемного заряда равна около ІО-6 Кл/м3. Таким образом, плотность объемного заряда в зонах неоднородности грозовых облаков должна быть на один-два по­ рядка выше средней.

В связи с отсутствием измерений объемного заряда в грозовых облаках в свободной атмосфере представляют интерес измерения М. Н. Герасимовой [33] на Эльбрусе на высоте 4250 м. Экстремаль­ ные значения плотности объемного заряда, измеренной ею при сла­ бой грозе, оказались равными 7,3-10-9 и —6,3-ІО-9 Кл/м3 и нахо­ дятся в пределах данных, полученных для гроз другими методами

(см. табл. 38).

158

2.2.9. Электричество теплых кучево-дождевых облаков

При исследованиях электричества дождящих конвективных об­ лаков (электрического поля, зарядов облачных и дождевых капель и т. д.) чрезвычайно мало внимания уделялось вопросу о структуре этих облаков — жидкокапельные они или смешанные. Получение характеристик электрического состояния теплых облаков в умерен­ ных широтах — весьма сложная задача, поскольку редко сущест­ вует возможность достаточно четко выделить наблюдения, относящиеся именно к таким облакам. Поэтому нами будут использованы результаты наблюдений в низких широтах и мате­ риалы наблюдений в теплых облаках слоистых форм.

Фицджеральд и Бейере [299] провели наблюдения в районе Карибского моря над пассатными дождящими кучевыми облаками, вершины которых не достигали уровня изотермы 0°С. Оказалось, что напряженность горизонтального электрического поля не превы­ шала ІО3 В/м и большим значениям водности соответствовали боль­ шие значения напряженности поля. В каждом из этих облаков Фицджеральд и Бейере обнаружили область значительных разме­ ров с преобладанием отрицательных зарядов и несколько областей сравнительно малых размеров с преобладанием положительных зарядов. Повторные полеты через зону радиоэхо привели к выводу, что увеличение напряженности электрического поля соответствует области активных восходящих токов и росту облака. При диссипа­ ции облака наблюдалось заметное ослабление поля.

При полетах над вершинами теплых кучевых облаков над побе­ режьем Флориды (США) Воннегут и Мур [560] измеряли верти­ кальный градиент потенциала. В одном из полетов было обнару­ жено, что сравнительно большие по абсолютной величине отрица­ тельные градиенты потенциала (до —3- ІО3 В/м) в развивающихся мощных кучевых облаках несколько уменьшаются и даже перехо­ дят в небольшие положительные значения (1,5-ІО3 В/м) при пре­ образовании мощных кучевых облаков в кучево-дождевые, т. е. при обнаружении в Cu cong. признаков дождя. Так что с образо­ ванием дождя в мощных кучевых облаках происходят заметные электрические преобразования, сказывающиеся на градиентах по­ тенциала выше облаков.

Несмотря на многочисленные наблюдения за электрическими зарядами осадков, почти не было наблюдений, когда было бы до­ стоверно известно, что капли выпадают из теплых облаков. Поэтому большой интерес представляют наблюдения за зарядами капель дождя Такахаши и Исоно [543] на о. Гавайи. Измерения зарядов отдельных капель на склоне горы Мауна-Кеа при ливнях в теплых облаках показали, что могут встречаться как случаи со смесью положительно и отрицательно заряженных капель (с некоторым пре­ имуществом первых), так и случаи только с положительно заря­ женными каплями. В большинстве случаев поле было отрицатель­ ным, обратным по знаку зарядам капель, т. е. обнаруживался зер­ кальный эффект, установленный Симпсоном [522] в интенсивных

159