Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Эванс и Хатчинсон [294] подразделяли разрушающиеся капли на три категории: 1) когда капля при замерзании разрушается на две части, 2 ) когда рог отрывается сразу после своего образования и 3) когда-рог отрывается после того, как капля почти полностью замерзла. В первых двух категориях в разломах всегда имеется вода в жидком состоянии, а в третьей категории рог совсем не со­ держит воды или ее очень мало. Для первой категории заряд на

заряд был равен —8,2-ІО-12 Кл. Для второй категории также ха­ рактерны отрицательные заряды, но встречаются случаи с положи­ тельными зарядами, причем вторые, как правило, меньше первых. Все отрицательные заряды оказались в пределах 0,7-ІО*13— 0,9-10~1 2 Кл. Третья категория характеризовалась образованием почти только положительных зарядов, которые находились в преде­ лах 10~13—1,6-ІО-12 Кл с максимумом 3,6-10-12 Кл. Исследования проводились с каплями радиусом от 0,5 до 0,75 мм при температуре на уровне замерзания —15° С.

Если происходит интенсивное разрушение капли, то образуются в небольшом количестве (один—три) осколки, сопоставимые по размерам с каплей, и осколки микроскопических размеров, количе­ ство которых может быть большим (10—100). Некоторое представ­ ление о порядке величины зарядов микроскопических осколков можно составить на основании осциллограммы, приведенной Качуриным и Бекряевым [81]. По их мнению, небольшой пик на осциллограмме, предшествующий взрыванию капли и образованию главного заряда, обусловлен выбросом ледяных осколков при обра­ зовании трещин в ледяной оболочке. Из осциллограммы, приведен­ ной на рис. 54, следует, что этот суммарный заряд осколков равен примерно 7,2- ІО-13 Кл. Если считать, что при этом выбросилось от 10 до 100 осколков, то средний положительный заряд одного осколка лежит в пределах от ІО-13 до ІО-14 Кл. Согласно Мейсону и Мейбенку [431], капля радиусом 0,5 мм при замерзании при —5-° С давала в среднем 20 осколков и остающаяся часть капли получала отрицательный заряд около 3- ІО-14 Кл, а при —15° С образовыва­

осколка приблизительно равен 2- ІО-15 Кл, что на один-два порядка меньше заряда, полученного на основании данных Качурина и Бекряева [81].

Лезем и Мейсон [381] исследовали электризацию при замерза­ нии капелек дистиллированной воды на поверхности ледяной сферы, сопровождающемся выбросом ледяных осколков. Они обнаружили параллелизм между средними значениями скорости образования ледяных кристаллов и зарядом, рассчитанным на одну капельку. На рис. 55 представлена зависимость образования количества ледя­ ных осколков и зарядов от размеров замерзающих капель при по­ стоянных температуре воздуха и скорости воздушного потока, на­ бегающего на ледяную сферу. При температуре —15° С и скорости

10 м/с при замерзании капельки диаметром 30—100 мкм образу­ ется в среднем 12 ледяных осколков со средним зарядом около 1 • ІО-16 Кл. В опытах с раствором NaCl, концентрация которого со­ ответствует наблюдаемой в облаках, заряды капелек оказались меньше почти на 2 0 %, чем в опытах с дистиллированной водой. С увеличением диаметра капель больше 100 мкм параллелизм нарушается: положительные заряды осколков заметно уменьша­ ются. Авторы пытаются объяснить эту тенденцию тем, что при боль­ ших скоростях соударения происходит разрушение капель в момент удара о поверхность и ледяная сфера приобретает положительный

Лезем и Мейсон обнаружили очень быстрое увеличение числа оскол­ ков и заряда с понижением температуры. По-видимому, при высо­ ких температурах и больших скоростях соударения капельки только

осколков. При температурах ниже —6° С как число осколков, так и величина заряда остаются почти неизменными.

Необходимо обратить внимание на существенное различие между взрыванием замерзающей капли с образованием крупных фрагментов и вырыванием осколков из разрушающейся'или сильно деформирующейся ледяной поверхности. В первом случае почти всегда происходит одновременное разделение как твердой, так и жидкой фазы воды, тогда как во втором наблюдается разделение только твердой фазы.

Существуют три теории, пытающиеся объяснить образование зарядов при разрушении замерзающих капель и вырывании из них ледяных осколков: Качурина и Бекряева, Лезема и Мейсона, Имянитова и Мордовиной.

Л. Г. Качурин и В. И. Бекряев [12, 81] считают, что причиной

196

образования зарядов при взрывании замерзающих капель является электризация на границе фаз при кристаллизации воды. Когда про­ исходит взрыв капли и образуется фрагмент, последний уносит заряд, зависящий от того, какая часть ледяной оболочки и воды отрывается от капли. Если отрывается меньшая часть капли, то она состоит в основном из твердой фазы и должна, согласно Воркмену и Рейнольдсу, унести положительный заряд. Это подтверждается опытами Качурина и Бекряева [81], Эванса и Хатчинсона [294], но противоречит опытам Мейсона и Мейбенка [431]. Расчеты, выполнен­ ные для случая замерзания капли чистой воды радиусом 0,1 мм, показали, что, исходя из этих представлений, должен образоваться заряд, равный 4-10_п Кл, тогда 'как для капель радиусом I мм величина заряда составляет 4 -ІО-8 Кл. Таким образом, на основа­ нии представлений Качурина и Бекряева можно полностью объяс­ нить как знак, так и величину зарядов, образующихся на фрагмен­ тах при взрывании замерзающих капель. Необходимо, однако, выяснить причины, приводящие к тому, что вычисленные заряды на фрагментах значительно (на несколько порядков) больше наблю­ даемых в экспериментах.

Из многочисленных экспериментов по электризации при замер­ зании слабых растворов (см. раздел 3.1.4) известно, что разность потенциалов остается неизменной, пока не замерзнет вся вода. Поэтому величина заряда, например, жидкой части сферы опреде­ ляется емкостью, в данном случае радиусом этой части сферы га, и значением максимальной разности потенциалов между льдом и водой Ушах, т. е. <7=УтахГа. Так, для капли радиусом 1 мм из рас­ твора NaCl ІО“ 4 N с Ушах= 30 В, у которой, допустим, к моменту взрывания га = 0,5 мм, получаем 'q —1,6-ІО-12 Кл. Если учесть, что в действительности замерзание капли происходит несимметрично и в ней прорастают дендриты, расслаивающие ее жидкую часть на ряд полостей, каждую из которых можно представить в виде пло­ ского конденсатора, то следует полагать, что суммарная емкость таких конденсаторов значительно больше, чем емкость жидкой части, представленной в виде сферы. Если допустить, что в реаль­ ных условиях емкость жидкой части может быть на один-два по­ рядка выше, чем ее емкость в виде сферы, то для приведенного примера получаем заряд в пределах 10-11—10_1° Кл, что согласу­ ется с данными опытов.

И. М. Имянитов и др. [74] также считают, что заряды, образую­ щиеся при разрушении замерзающих капель, обусловливаются разностью потенциалов на границе жидкой и твердой фаз, которая определяется выражением (72). При разрушении замерзающей капли происходит вырывание частиц льда и разрыв контакта с жид­ ким раствором. Если известны условия разрыва контакта — емкость в момент разрыва и время разрыва, то по формуле (64) можно определить величину разделяющихся зарядов.

Однако Джонсон [353] считает, что эффект Воркмена—Рей­ нольдса не может объяснить механизм электризации при разруше­ нии замерзающих капель. В опытах с каплями диаметром 1 мм из

197

деионизированной воды в азоте или водороде наблюдалось как разрушение на крупные части, так и образование ледяных осколков

пель ІО-12 Кл. В случае разрушения капель из ионных растворов при замерзании в водороде распределение зарядов оказалось та­ ким же, как и в опытах с деионизированной водой. Это противоре­ чит представлению, что электризация при разрушении капель обус­ ловливается эффектом Воркмена—Рейнольдса. Джонсон считает, что причиной этого может быть малая толщина — порядка 10+ мо­ лекулярных слоев — заряженного слоя. Но сомнительно, чтобы столь тонкий слой отделялся при отрывании крупных ледяных осколков.

Лезем и Мейсон [381] считают, что причиной образования заря­ дов на ледяных осколках является диффузия ионов под действием температурного градиента. При замерзании капель в ледяной оболочке устанавливается температурный градиент, так как на гра­ нице вода—лед температура равна 0°С, а на границе лед—воздух она ниже. Из-за различия в подвижностях ОН- и Н+ вследствие влияния градиента температуры происходит разделение зарядов таким образом, что более нагретая часть приобретает избыток 0 №", а более холодная — избыток Н+. В результате внешняя, более хо­ лодная часть ледяной оболочки получает избыток положительных зарядов. При вырывании ледяного осколка уносится положитель­ ный заряд, что согласуется с данными опытов. Лезем и Мейсон получили,что

градиенты температуры и потенциала соответственно

Для подтверждения теории Лезем и Мейсон измеряли разность потенциалов между основаниями цилиндров из чистого льда, нахо­ дящимися при разной температуре. В пределах разностей темпера­ тур от 0 до 7° С получено согласие с уравнением (74), которое нарушалось для большей разности. Лезем и Мейсон считают, что это отклонение обусловлено зависимостью электропроводности льда от температуры. Для растворов было получено такое же выраже­ ние, как (74), только коэффициент зависел и от концентрации, и от растворимого вещества.

Опыты, подобные опытам Лезема и Мейсона, были выполнены Стейнбергером и Рахамимом [532]. Они изготовляли ледяные ци­ линдры из бидистиллированной деионизированной воды и раствора ІО"3 М NaF. Обнаружилась линейная зависимость разности потен­

198