Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Дождевая вода имеет всегда значительно большую электропро­ водность, чем бидистиллированная вода. В ней обнаруживаются многие химические вещества, в первую очередь хлориды, сульфиды и сульфаты, а также нитраты и нитриты и ряд других соединений. Это происходит вследствие того, что капельки в облаках образу­ ются на ядрах конденсации, большинство из которых имеет мор­ скую природу или представляет собой продукты сгорания как есте­ ственного, так и искусственного происхождения. Кроме того, капли

воды не зависит от типа дождя, за исключением грозового, для ко­ торого она значительно выше. Причина этого не ясна, так как в грозовых дождях не обнаружено какого-либо увеличения общего содержания примесей.

Из сопоставления данных для чистой и дождевой воды следует, что электропроводность за счет ионов диссоциации составляет не­ большую часть электропроводности, обусловленной ионами приме­ сей. Как показала Т. Г. Бондаренко [15], электропроводность, рассчитанная по данным об ионах примесей, в пределах 2—3% совпадает с экспериментальными данными. Е. С. Селезнева [168] получила, что существует линейная связь между минерализацией (содержанием примесей в мг/л) и электропроводностью осадков, которая в какой-то степени зависит также от pH (концентрации водородных ионов).

Данных об электропроводности облачной воды вообще очень мало, но можно сделать вывод, что она незначительно отличается от электропроводности дождевой воды. Заборы проб в облаках в Ленинградской области на высотах 500—1000 м позволили полу­ чить значения электропроводности облачной воды в пределах (7-ь -ь48) • ІО-4 См/м и одно аномально-высокое значение: 400 • ІО-4 См/м (В. М. Дроздова и др. [40]).

Исследований электропроводности льда также очень мало, а ис­ следования атмосферного льда вообще отсутствуют. Электропро­ водность чистого льда (для постоянного тока) при температуре около 0°С х^4-10~7 См/м, таким образом, она близка к электро­ проводности чистой воды при этой температуре. С понижением тем­ пературы электропроводность льда уменьшается. С увеличением частоты переменного тока электропроводность льда увеличивается. Причина этого заключается в появлении некоторой дополнительной электропроводности, обусловленной, по-видимому, особенностями электронной, дипольно-релаксационной и упругодипольной поляри­ зации молекул. Изменение знака поляризации молекул сопровож­ дается рассеянием электрической энергии.

Рассеяние электрической энергии в переменном поле сказыва­ ется и на величине диэлектрической проницаемости. Так, если ди­ электрическая проницаемость льда в постоянном электрическом поле при температуре около 0°С приближается к ее величине для

167

воды, т. е. к б= 7,2-ІО-10 Ф/м, то в переменном поле и при более низких температурах она может принимать намного меньшее зна­ чение. Для сравнительно низких частот существует хорошо выра­ женная зависимость диэлектрической проницаемости от темпера­ туры. Если при ѵ=103Гц и Ѳ= —5°С е= 6,3 - 10-10 Ф/м, то при по­ нижении температуры до Ѳ= —60°С е=0,31 • 10-10 Ф/м. В то же время для сравнительно высоких температур наблюдается отчетли­ вая зависимость диэлектрической проницаемости от частоты. Так,

при Ѳ= —5°С и ѵ = 6.- ІО4 Гц 8 = 3,3- ІО-10 Ф/м (Смит и Хичкок[529]).

Однако эта зависимость нарушается для частот порядка 1010 Гц и выше. По-видимому, при столь больших частотах время пере­ мены направления поля имеет тот же порядок, что и время установ­ ления дипольно-релаксационной поляризации молекул, что при­ водит к изменению характера их поляризации.

Необходимо учитывать, что как на электропроводность, так и на диэлектрическую проницаемость льда оказывают значительное влияние примеси. Химический анализ воды в твердой фазе (града, снега, изморози и т. п.) обнаружил в ней те же примеси н при­ мерно в тех же концентрациях, что и в жидкой воде. Этого следо­ вало ожидать, так как, согласно современным воззрениям, до обра­ зования твердой фазы вода всегда проходит стадию конденсации на ядрах конденсации.

Благодаря достаточно большой электропроводности льда элект­ рические процессы, например распределение свободных зарядов по поверхности, протекают на ледяных частицах так же, как и на жидких каплях. Для оценки времени релаксации, необходимого для протекания процесса, можно использовать выражение (51). Подставляя в (51) значения для льда при Ѳ= —10° С и ѵ= 50 Гц,

рической частице, находящейся в газовой среде с проводимостью %. Согласно Я. И. Френкелю [186], это время релаксации также опре­ деляется выражением (51). В атмосфере на уровне изотермы —10° С, который для умеренных широт летом соответствует высоте около 5 км, электропроводность имеет порядок ІО-14 См/м. В гро­ зовых облаках она составляет 10-12 См/м. Подставляя эти значе­ ния в (51) и учитывая, что для воздуха ео^9- ІО-12 Ф/м, получаем т= 10-нЮ3 с, т. е. оно на 2—4 порядка больше времени релаксации, необходимого для равномерного распределения зарядов до поверх­ ности ледяной частицы.

3.1.2. Заряжение капель в среде ионов

Одним из механизмов заряжения облачных капелек является захват ионов, который зависит от ряда причин: концентрации и подвижности ионов воздуха, свойств жидкости в поверхностном слое, размеров и скорости падения капелек, напряженности элект­ рического поля и пр. Задачу о захвате ионов в зависимости от раз­

168

личных факторов пытались решать как для облачных капелек, так и для дождевых капель.

Я. И. Френкель [186], исходя из того факта, что в камере Виль­ сона капельки воды заряжаются преимущественно отрицательно, пришел к выводу, что они имеют большее сродство с отрицатель­ ными нонами, чем с положительными. Причиной такого сродства является то, что молекулы воды ориентированы на поверхности своими отрицательными полюсами наружу. Это приводит к обра­ зованию на границе раздела фаз двойного электрического слоя и скачка потенциала в нем, так называемого электрокинетического потенциала. Если капелька воды находится в атмосфере, имеющей равные полярные проводимости, то ее заряжение вызывается на­ личием двойного электрического слоя. Накопление заряда происхо­ дит до тех пор, пока не компенсируется электрокинетический по­ тенциал g. Следовательно,

В реальной атмосфере, как правило, наблюдается заметное не­ равенство полярных проводимостей. Задача о диффузионном заря­ жении капелек воды при условии, что А+#А_, была также решена Френкелем [186]. Он получил, что

висимости от отношения полярных проводимостей и радиуса капли. При А+>А- заряд капли будет положительным, а при А+<А-— от­ рицательным.

Ганн [325] получил зависимость заряда капли от времени при диффузии ионов и близких значениях полярных проводимостей:

(57)

где Ео — диэлектрическая проницаемость воздуха; А — абсолютное значение полярной проводимости.

Из (57) следует известное выражение (51) для времени релак­ сации. Заметим, что, согласно Френкелю [186], время релаксации также определяется формулой (51), но только А является не поляр­ ной, а суммарной проводимостью воздуха.

При рассмотрении электризации капелек в воздухе, содержащем легкие иены, можно учесть влияние электрического поля. Эта за­ дача была впервые поставлена Вильсоном [572] и затем в тех или иных предположениях теоретически решалась Г. Ф. Друкаревым [41], Уипплом и Чалмерсом [567], Мюллер-Гиллебрандом [452] и др.

Электризация капелек, скорость падения которых меньше ско­ рости движения ионов в электрическом поле, зависит от напряжен­

169

ности поля и значения полярных проводимостей воздуха. Эта за­ дача равноценна задаче об электризации падающей капельки, ко­ торая увлекает за собой достаточно толстый слой ионизированного воздуха, или неподвижной капельки.

В таком случае процесс электризации капли можно описать уравнением (см. [41])

а также для времени релаксации

іА+х_.

Описанные выше теоретические задачи об электризации капель не учитывают всех особенностей процесса. Это связано с тем, что в коллективе облачных капель при их электризации формируется распределение зарядов, в то время как рассмотренные задачи дают представление лишь о поведении среднего заряда капель. Так, при равных парциальных проводимостях Я+=Я._ в коллективе капель наблюдаются заряды обоих знаков, а средний заряд равен нулю. Кроме того, возможно и взаимовлияние капель при их электри­ зации.

Н. А. Фукс [188] исследовал вопрос о величине зарядов облач­ ных капелек в предположении, что облако монодисперсное, ионы однозарядные и полярные проводимости равны. Он получил, что в облаке устанавливается стационарное распределение зарядов, ко­ торое аппроксимируется формулой Больцмана

где Пі — число капель с і элементарными зарядами е; по — число незаряженных капель.

Фукс произвел оценку времени, необходимого для установле­ ния стационарного распределения зарядов в облаке. Приняв я0=

=100 см-3, он получил, что это время составляет около 1 ч. Задача о заряжении частиц в ионной среде решалась Плювина-

жем [472] без учета зеркальных сил, Брикаром [243] с их учетом и

170