Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

дождях. Этот эффект авторы [543] обнаружили и при слабых лив­ невых дождях, но поле при этом было положительным и несколько меньшим, чем при интенсивных ливнях.

Во всех выпусках специальных радиозондов отмечались как по­ ложительно, так и отрицательно заряженные капли, но почти всегда с некоторым преобладанием одних над другими. Такахаши и Исоно реконструировали распределение зарядов в орографическом кучево­ дождевом облаке, обычно образующемся при натекании на склон горы воздуха с моря, на основании двух выпусков радиозондов на склоне горы Мауна-Кеа (№ 3 и 9) и одного — в Хило (№ 11)

Н к м

4 Г

I

//iff

Рис. 49. Распределение зарядов капель дождя в орографическом кучево-дож­ девом облаке по данным специальных радиозондов, выпущенных на о. Гавани на склоне горы Мауна-Кеа на высоте около 700 м (№ 3 и 9) и в Хило на уровне моря (№ 11). По Такахаши и Исоно [543].

(рис. 49). Как следует из данных зонда № 3, у земли наблюдался как положительный, так и отрицательный ток, создаваемый отдель­ ными каплями дождя. Электрическое поле было отрицательным. Как под облаком, так и в облаке дождь состоял из смеси положи­ тельно и отрицательно заряженных капель. Большая часть зарядов капель находилась в пределах от —2- ІО-12 до 7 • ІО-12 Кл. Из дан­ ных зонда № 9 видно, что соотношение количеств положительно и отрицательно заряженных капель на разных высотах весьма сильно различается, а у поверхности земли наблюдается хорошо выражен­ ный зеркальный эффект в период усиления положительного тока, создаваемого каплями дождя. Наконец, данные зонда № 11 пока­ зывают преобладание отрицательно заряженных капель почти по всем высотам, тогда как у поверхности земли ток осадков очень небольшой. Заряды капель на высотах находились в основном в пределах от —1 ■ІО-12 до 3>10-12 Кл. Из этих данных Такахаши и Исоно пришли к выводу, что в верхней части облака на каплях

160

осадков находится отрицательный суммарный заряд, а в нижней — положительный. Согласно оценке, объемный заряд, создаваемый дождевыми каплями в верхней части облака, составляет

—1,5 ■ІО-10 Кл/м3, а в нижней части 1,5-ІО-10 Кл/м3. Авторы [543] считают, что столь большие плотности зарядов указывают на воз­ можность возникновения грозовых разрядов в теплых облаках. Однако к этой модели распределения зарядов в пассатном орогра­ фическом кучево-дождевом облаке необходимо относиться с неко­ торой осторожностью, так как она явилась результатом обобщения данных только трех радиозондовых наблюдений, проведенных по случайным траекториям и к тому же в разные дни.

2.2.10. Грозы в теплых облаках

Весьма интересным представляется вопрос о возможности обра­ зования грозы в теплых облаках. Считается общепринятым, что

всубтропических и тропических районах грозы в теплых облаках образуются не редко. Не исключена вероятность образования грозы

втаких облаках и в умеренных широтах. Однако сведения об об­ разовании гроз в теплых облаках весьма скудны. Более того, зна­ чительное число данных о грозах в теплых облаках, которые опи­ саны в литературе, получено в результате случайных наблюдений. Поэтому их достоверность вызывает некоторое сомнение, и суще­ ствует необходимость в специальных исследованиях для решения этого вопроса.

Одним из наиболее ранних является сообщение Фостера [300] о грозе в теплых облаках вблизи Марианских островов (Тихий океан). При полете над облаками были обнаружены вспышки мол­ нии в двух трубообразных кучево-дождевых облаках, из которых шел дождь. Диаметр облаков составлял 100—150 м, а вертикаль­ ная мощность — около 1600 м. Вспышки молнии происходили через 9—11 с в центральных частях облаков, ярко освещая их изнутри. Самолет летел на высоте около 2400 м, примерно в 30 м над вер­ шиной облаков (температура 6°С), тогда как изотерма 0°С распо­ лагалась на высоте около 4500 м. Непосредственно вблизи этих облаков был отмечен заметный рост радиопомех.

Ганн [326] в связи с наблюдениями Фостера сообщает, что, кон­ сультируясь с многочисленными пилотами, совершающими полеты над океанами, и метеорологами, знакомыми с погодными условиями над океанами, он получил подтверждения существования подобных теплых гроз.

Против мнения Ганна о существовании теплых гроз возражает Аппельман [213]. Он считает, что, по всей вероятности, теплые грозы — это не что иное, как обычные грозы в стадии разрушения, когда произошло опускание вершины. При этом Аппельман ссыла­ ется на данные, полученные при исследованиях по проекту «Гроза» в США: «хотя облако должно достигать весьма большой высоты и низкой температуры для того, чтобы возникли молнии, грозовая1

деятельность сохраняется и после опускания вершины ячейки до значительно меньшей высоты». Он указывает также на то, что это

грядой облаков с хорошо выраженными ячейками диаметром около 3 км. Температура на уровне их вершин была около 2° С. Вершины облаков имели вид цветной капусты, типичный для мощных куче­ вых облаков. В течение 5 мнн в облаках наблюдались вспышки мол­ нии каждые 3—4 с. Так как уже наступили сумерки, вспышки мол­ нии были отчетливо видны, при этом каждый разряд освещал центр облака изнутри. Основание облаков находилось на высоте около 800 м. Под облаками осадки не обнаруживались, но, так как в это время стало темно, могло оказаться, что осадки не удалось заме­ тить.

сообщения Дина о грозах над Бермудскими островами в 1958 г., Хефермана — над Флоридой в 1958 г., Леонарда — вблизи берегов Бразилии в 1959 г. Мур и др. [450] в одном из полетов в районе Больших Багамских островов наблюдали вспышки молнии в об­ лаке, которое находилось на расстоянии около 50 км от самолета и располагалось ниже уровня изотермы 0°С. Но к тому времени, когда Мур и др. приблизились к облаку, его вершина уже находи­ лась примерно на 1000 м выше уровня изотермы 0°С.

Наиболее точными авторы [450] считают наблюдения, выполнен­ ные 8 июля 1959 г. В одном из активных облаков, находившемся на расстоянии около 45 км от самолета и на высоте около 500 м над уровнем изотермы O'1С, были визуально обнаружены грозовые разряды. Затем облако разрушилось. К этому времени вблизи развилось новое изолированное облако ниже уровня изотермы 0°С, в котором в течение 10 мин произошли четыре разряда. При вспышках молнии удалось сфотографировать новое облако. Оно находилось в 26 км от самолета, и другие радиоэхо ближе 65 км не наблюдались. Радиоэхо исчезло через 5 мин после прекращения грозовых разрядов.

Весьма интересными являются наблюдения Россби [489] за гро­ зовыми разрядами в теплых облаках (Флорида, США); эти наблю­ дения были выполнены в связи с разработкой методов наблюдений атмосфериков со спутников. Самолет был оборудован устройством для регистрации атмосфериков на ультравысокой частоте (610 МГц). Высота полетов (3050 м) поддерживалась постоянной, и наблюде­ ния производились в 16 км от облака. Для повышения качества наблюдений они велись почти исключительно вечером, что, к сожа­ лению, не позволяло обнаруживать ливни. 22 июля 1964 г. в не­ больших облаках конвективного характера проявлялась интенсив­ ная грозовая активность. Уровень изотермы 0°С находился на высоте 4800 м, а вершины облаков — несколько ниже самолета.

162

облаках в этом районе они следуют с интервалами в основном от 20 до 50 с. По-видимому, в теплых облаках молния состоит из од­ ного разряда, тогда как в развитых грозовых облаках — из некото­ рого числа последовательных разрядов. Обнаружено также разли­ чие в атмосфериках на частоте 610 МГц для грозовых разрядов из теплых кучевых и развитых грозовых облаков. В развитых грозо­ вых облаках атмосферики представляют собой как бы вспышку значительного числа импульсов длительностью 1—2 мкс каждый со средним интервалом между ними 3 мкс. В теплых облаках на­ блюдаются не вспышки, а отдельные импульсы, разделенные боль­ шими интервалами. 27 июля теплое облако, в котором наблюдались молнии, переросло в развитое кучево-дождевое облако с наковаль­ ней. Атмосферики, создаваемые грозовыми разрядами, пока облако было теплым, были такими же, как во время наблюдений 22 июля. При росте вершины облака до уровня изотермы 0°С произошло увеличение числа импульсов, но их характер остался прежним. Когда же вершина облака значительно превысила этот уровень, распределение импульсов претерпело значительное изменение и стало типичным для развитых грозовых облаков.

Образование гроз в теплых орографических облаках наблюдал Михновский [443а] в Демократической Республике Вьетнам на гор­ ной станции Ча-Па, находящейся на высоте 1570 м. Непосредственнно перед заходом солнца 29 июня 1959 г. на юго-запад от стан­ ции Ча-Па над долиной р. Муонг-Хан-Хо им было замечено кучевое облако. При наступлении сумерек между вершиной и основа­ нием облака вспыхнула молния. Гром был едва слышен. Михнов­ ский определил, что вершина облака находилась на высоте около 2500 м. Через 3 мин после первого разряда произошла новая вспышка молнии. За это время вершина облака достигла высоты 3200 м. Так как в этом районе изотерма 0°С в июне не опускается ниже 4000 м, Михновский считает, что облако было теплым.

Мани и др. [423] приводят данные наблюдений за развитием

с большой частотой — через каждые 5—10 с, вершина облака, по радиолокатору, находилась на высоте около 3000 м, где темпера­ тура была около 10° С. Область облака, в которой наблюдались разряды, перемещалась вверх.

Хаутон [340] сообщает, что в Акапулько (Мексика), расположен­ ном на побережье Тихого океана, часто наблюдаются интенсивные ночные грозы, часть которых, возможно, является теплыми. Он приводит случай, который наблюдался ночью в октябре 1968 г:, когда две молнии ударили в здание недалеко от наблюдателя. Дождь был весьма интенсивным, однако капли были относительно малых размеров. По данным пилотов, высота облаков не превы­ шала 4200 м, т. е. вершины облаков располагались ниже уровня

Глава 3

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ В ГРОЗОВЫХ ОБЛАКАХ

Образованию заряженных областей в грозовых облаках пред­ шествуют процессы, приводящие к электризации облачных частиц и гпдрометеоров. Только в тех случаях, когда электризация частиц протекает таким образом, что на частицах, перемещающихся под действием гравитационных сил с разной скоростью, оказываются заряды разных знаков, или заряды на частицах и в воздухе имеют разные знаки, может происходить их разделение. Если процессы электризации будут протекать достаточно интенсивно и длительно, а процессы рекомбинации зарядов и их диссипации — сравнительно медленно, возможно накопление зарядов в определенных областях грозового облака, между которыми возникнут сильные электриче­ ские поля с напряженностью, достигающей критических, т. е. доста­ точных для возникновения молнии, значений. Следовательно, обра­ зование заряженных областей в грозовых облаках, как, впрочем, и в любых других, начинается с электризации облачных частиц и гид­ рометеоров в них. Поэтому для выяснения механизма возникнове­ ния грозового электричества необходимо в первую очередь рас­ смотреть, какие процессы электризации могут иметь место в ку­ чево-дождевых облаках. Затем необходимо выяснить, какие из этих процессов являются доминирующими.

В процессах электризации, которые возможны в облаках, всегда участвуют ионы: то ли молекулярные, то ли легкие и тяжелые, об­ разующиеся в воздухе, то ли атомные и молекулярные, образую­ щиеся внутри воды в жидкой или твердой фазе. В воздухе образу­ ются также электроны, однако они, как и воздушные молекулярные ионы, имеют малую продолжительность жизни и непосредственно слабо влияют на процессы электризации облаков в целом. В такой же степени малую роль играют и тяжелые ионы. Процессы электри­ зации в облаке, в которых участвуют воздушные ионы, происходят при их контакте с частицами. Такой контакт может обеспечиваться диффузией ионов, влиянием электрического поля и свойствами по­ верхностного слоя частиц, как это показано схематически в левой части рис. 50. Электризация при участии молекулярных ионов мо­ жет иметь место в основном при контакте или разрушении частиц.

165

Процессы электризации

Рис. 50. Схема процессов электризации гидрометеоров.

И в этом случае процессы электризации могут происходить в ре­ зультате действия электрического поля пли благодаря физико-хи­ мическим особенностям воды в жидкой и твердой фазах (правая часть схемы на рис. 50).

Со времени установления того факта, что грозовые разряды имеют электрическую природу, т. е. почти за 200 лет, было открыто и исследовано огромное количество различных процессов электри­ зации облачных частиц и гидрометеоров. Затем эти процессы под­ вергались критической оценке, и многие из них отбрасывались, одни — потому, что они вообще не могут иметь место в грозовых облаках, другие — вследствие их весьма незначительной роли в об­ щем балансе электрических зарядов. Ниже будут рассмотрены про­ цессы электризации, которые могут играть определенную роль в об­ разовании грозового электричества.

3.1.1.Электропроводность и диэлектрическая проницаемость воды

вжидкой и твердой фазах

На процессы переноса зарядов в воде в жидкой и твердой фа­ зах оказывает значительное влияние ее электропроводность и ди­ электрическая проницаемость. Поэтому перед тем, как перейти к рассмотрению процессов электризации, остановимся на этих во­ просах.

Как известно, вода и лед обладают электропроводностью, сильно зависящей от примесей. В чистой воде электропроводность обеспе­ чивается ионами Н+ и ОН- , образующимися вследствие диссоциа­ ции молекул воды. В тщательно очищенной от примесей воде при температуре 25° С находится ІО-7 г-ионов/л. Измерения показали,

Xi8 = 0,36- ІО-5 См/м, что находится в хорошем согласии с данными измерений. Бидистиллированная вода обычно имеет хі8=Ю~4 См/м. Диэлектрическая проницаемость е воды весьма велика: в постоян­ ном электрическом поле она равна 7,2* Ю-10 Ф/м.

166