Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

циалов от градиента температуры как для чистой воды, так и для раствора в интервале абсолютных температур примерно от 240 до

270 К.

Такахаши [538] нашел, что линейная связь между градиентами температуры н потенциала нарушается при деформации ледяных кристаллов, содержащих примеси. Причиной этого эффекта явля­ ется образование дефектов структуры при деформации. Так как скорость диффузии положительно заряженных дефектов больше, чем отрицательно заряженных, первые диффундируют внутрь, что приводит к разделению зарядов. В дальнейшем Такахаши [539] на основании опытов по электризации трущихся ледяных поверхностей подтвердил свое представление об образовании дефектов при деформации льда и об их роли в образовании зарядов.

Лезем и Мейсон [381] произвели оценку величины заряда, обра­ зующегося на осколках. Можно считать, что перед завершением замерзания капли средний градиент температуры равен Вв/г, где Ѳв — температура воздуха. На основании (73) заряд, образующийся на поверхности капли радиусом г, будет равен

9 = 4 т е г 2 • 1,65 • 10~12Ѳв/г.

При Ѳв= —15°С и г=40 мкм 9 = 1,3 - 10~ 14 Кл. Если же г = 0,5 мм, то 9 = 1,6 - ІО-13 Кл. Лезем и Мейсон указывают, что для образова­ ния зарядов, которые были получены для подобных условий [381], достаточно, чтобы разрушалась примерно одна десятая площади по­ верхности капли. Но уже для капли с г=0,5 мм требуется, чтобы вся ее поверхность была разрушена.

Таким образом, если теория электризации за счет температур­ ного градиента в состоянии количественно объяснить результаты опытов с капельками облачных размеров, то результаты опытов при взрывании крупных капель она объяснить не может. Поэтому необходимо отдать предпочтение теориям Качурина и Бекряева, Имянитова и др. [74], базирующимся на представлении о разделе­ нии зарядов при фазовых переходах воды.

3.1.6. Электризация при соударении крупных ледяных частиц с переохлажденными капельками и ледяными кристаллами

В предыдущих разделах (3.1.3, 3.1.4 и 3.1.5) были рассмотрены механизмы электризации при соударении ледяных частиц друг с другом, ледяных частиц с переохлажденными каплями и при разрушении замерзающих капель. Как уже указывалось выше, первый механизм может иметь место только в верхних частях на­ ковален кучево-дождевых облаков. Второй и третий механизмы электризации могут проявляться в областях как сухого, так и мокрого роста ледяных частиц. Но особенно часто в нижней части области сухого роста и в верхней части области мокрого роста должно происходить соударение крупных ледяных частиц (града, ледяной крупы) со смесью ледяных кристаллов и переохлажденных

199

капелек, которые содержатся там в больших концентрациях. При таких соударениях процесс электризации должен быть весьма сложным, поскольку одновременно может происходить электриза­ ция при контактах ледяных частиц между собой и с переохлажден­ ными капельками и электризация при разрушении капель на по­ верхности крупных ледяных частиц. Поэтому опыты по электриза­ ции при имитации подобных условий представляют значительный интерес.

Ряд опытов в большой холодильной камере с контролируемыми условиями был выполнен Рейнольдсом и др. [486]. На конце гори­ зонтального коромысла помещалась небольшая сфера, имитирую­ щая ледяную крупу; линейная скорость вращения составляла 7,5—9 м/с. В камере создавалось облако из переохлажденных капелек или ледяных кристаллов, или их смеси. Водность облака регулировалась в пределах 0,25—4 г/м3, концентрация ледяных кри­ сталлов— от ІО4 до ІО9 м~3. При концентрациях ледяных кристал­ лов от ІО5 до 10s м_3 и значительной водности крупа заряжалась отрицательно; если же концентрация находилась в пределах ІО7—ІО9 м~3 и облако состояло в основном из ледяных кристаллов, то крупа заряжалась положительно. В среднем заряды, образовав­ шиеся при одном соударении ледяного кристалла с пробным телом, составляли около 2 • 10-!3 Кл. Заметных изменений в размере ледя­ ных кристаллов до и после соударения с крупой не было обнару­ жено, что указывало на отсутствие их разрушения. Поэтому авторы [486] предположили, что основной эффект электризации свя­ зан с различием в температурах крупы и ледяных кристаллов. При большой водности переохлажденные капельки, замерзая на поверх­ ности льда, выделяют большое количество тепла, так что ледяные кристаллы имеют более низкую температуру, чем лед, и пробное тело заряжается отрицательно. Действительно, если в опытах с образованием больших положительных зарядов нагревали по­ верхность пробного тела, то знак заряжения изменялся на отрица­ тельный.

При повторении таких опытов (Хатчинсон [341]) были получены диаметрально противоположные результаты. Так, когда при темпе­ ратуре в камере —18° С и скорости соударения около 10 м/с кон­ центрация капелек превышала концентрацию кристаллов, пробное тело заряжалось положительно, а при малой концентрации капелек — отрицательно. Средняя величина зарядов оказалась равной 3- ІО-16 Кл на одно соударение. В этих опытах не было ис­ ключено влияние углекислоты, которая могла поглощаться капель­ ками и льдом. Кроме того, не была известна температура поверх­ ности льда пробного тела. Так что условия в описанных опытах могли несколько отличаться друг от друга, и это является еще од­ ним указанием на большое влияние свойств поверхности на про­ цессы электризации при контакте ледяных частиц.

Рейнольдс и др. [486] провели также опыты со льдом, содержа­ щим посторонние включения. В камеру впускался НС1 в вщіе дыма. Это приводило к образованию капелек с концентрацией около

200

ІО-4 М, тогда как ледяные кристаллы состояли из чистой воды. В результате пробное тело заряжалось отрицательно независимо от соотношения концентраций водяных капелек и ледяных кристаллов

итемпературы. Когда примеси вносились в виде пара (N H 4 OH или НСІ) и влияли на чистоту как капелек, так и ледяных кристаллов, знак электризации становился неопределенным. Причина этого заключалась в неопределенности захвата примесей капельками и кристаллами в каждом отдельном опыте. Из опытов Рейнольдса следует, что электризация при соударении ледяных частиц зависит как от разности их температур, так и от различий в концентрации

ихимическом составе примесей в них.

Рейнольдс и др. [486] для объяснения результатов своих опытов привлекли представление о нагревании ледяных частиц вследствие асимметричного трения и за счет тепла кристаллизации переохлаж­ денных капелек. Они считают, что знак и величина разделяющихся зарядов зависят от разности температур ледяных частиц.

Существование различия электризации при соударении ледяных кристаллов в смеси с переохлажденными капельками и без них с ледяной поверхностью подтверждается и другими эксперименталь­ ными данными, например данными Кюттнера и Лавои [371]. Когда на пробник из льда попадали только снежинки, то наблюдалось слабое положительное заряжение. Если же на пробник попадали переохлажденные капельки и снежные кристаллы, то заряжение пробника было интенсивным и в 100% случаев отрицательным. Это согласуется с опытами Рейнольдса, так как число ледяных кристал­ лов, поднятых с поверхности снежного покрова, вряд ли превышало

ІО7 м - 3.

В опытах Магоно и Такахаши [419], описанных в разделе 3.1.3, кроме исследований электризации при соударении пробного тела с ледяными кристаллами, изучалась электризация при одновремен? ном соударении пробного тела с ледяными кристаллами и пере­ охлажденными капельками. Было получено, что в этом случае заряды увеличивались на один-два порядка; это находится в согла­ сии с опытами Рейнольдса и др. [486]. Магоно и Такахаши обнару­

тризации льда при соударении смеси переохлажденных капелек и ледяных частиц. Они считают, что если температура достаточно низкая, а водность достаточно высокая, то на поверхности пробного тела образуется иней с кристаллической структурой. Если же темпе­ ратура недостаточно низкая или скорость образования инея мала, то на пробном теле возникает твердый и гладкий покров, как это следует из микрофотографий. Отрицательная электризация харак­ терна для благоприятных условий образования инея с тонкой кри­ сталлической структурой, тогда как положительная электризация имеет место при таких условиях, когда наблюдается стекловидная поверхность льда. Следовательно, механизм интенсивного заряже­ ния связан в первую очередь с разрушением веточек инея, причем их температура сама по себе не играет роли; существенное значение

201

имеет градиент температуры. Механизм положительной электриза­ ции при температурах выше —10° С заключается в срывании пленки жидкой воды, что находится в согласии с представлениями Ворк­ мена и Рейнольдса [584] о разделении зарядов при замерзании чистой воды.

Следует заметить, что Мейсон [116] ставит под сомнение резуль­ таты, полученные Рейнольдсом. Он указывает на то, что напряжен­ ность поля на поверхности ледяного кристалла при заряде 2 ■ІО-13 Кл должна превышать 10а В/м и разряд между поверхностями градины и кристалла должен начаться раньше, чем напряженность поля сможет достигнуть такой величины. Кроме того, Мейсон ука­ зал, что этот заряд почти на три порядка больше общего заряда всех носителей, которые могут присутствовать в кристалле из чи­ стого льда. Если даже учесть возможность появления дополнитель­ ных носителей в результате асимметричного нагрева кристалла при трении и если даже он нагреется до 0°С, то и тогда общий заряд носителей окажется на порядок меньше, чем заряд, полученный Рейнольдсом.

Критика Мейсона кажется недостаточно обоснованной. Для образования пробоя между телами, находящимися на расстояниях, меньших радиуса наименьшей частицы, требуется напряженность поля, значительно превышающая ІО6 В/м (Лезем и др. [379]). Поэтому разряд между градиной и ледяным кристаллом возможен только тогда, когда расстояние между ними очень мало, но не меньше длины свободного пробега молекул газа. Что касается второго замечания, то Мейсон исходит исключительно из теории электризации льда под действием температурного градиента, тогда как это не единственная и, по-видимому, не основная причина раз­ деления зарядов в опытах Рейнольдса. В экспериментах Лезема и Мейсона [381], Рейнольдса и др. [486] имеют место совершенно раз­ ные механизмы электризации, и результаты этих опытов не следует сопоставлять без соответствующих оговорок, как это делают Мейсон [116] и Брук [17]. Действительно, в опытах Лезема и Мей­ сона ледяные кристаллы соударяются с ледяной поверхностью, тогда как в опытах Рейнольдса и др. происходит соударение смеси переохлажденных капелек и ледяных кристаллов с ледяной поверх­ ностью. Именно в этом состоит основное различие между опытами. Для случая соударения только ледяных кристаллов с ледяной по­ верхностью Рейнольдс, с одной стороны, Лезем и Мейсон — с дру­ гой, получают сходные результаты.

Можно предложить объяснение, базирующееся на особенности, которая является характерной для электризации при одновремен­ ном соударении переохлажденных капелек и ледяных кристаллов с ледяной поверхностью. При обильном поступлении первых и вто­ рых возможен следующий процесс. Когда на ледяную поверхность попадает переохлажденная капелька, происходит ее быстрая кри­ сталлизация с выделением тепла, которое нагревает ее до 0°С. Если в этот момент на поверхность замерзающей капельки попадет ледяная частица, то между ними возникнет весьма тесный контакт.

202

Часть заряда, образующегося при замерзании капельки благодаря эффекту Воркмена—Рейнольдса, поступит на эту ледяную частицу, причем тем большая часть, чем больше емкость частицы, т. е. раз­ меры. Если контакт временный, то частица унесет с собой указан­ ный заряд. Так как лед по отношению к воде имеет положительный потенциал, эта частица тоже должна заряжаться положительно, а ледяная поверхность—-отрицательно, что согласуется с данными опытов Рейнольдса и др. [486], Магоно и Такахаши [419]. Если пред­ положить, что контактная разность потенциалов вода—лед равна 1 В, а частица льда сферическая с радиусом 10 мкм, то она должна унести заряд порядка ІО-15 Кл, при радиусе 100 мкм— ІО-14 Кл. Эти заряды оказываются примерно того же порядка, что и заряды, полученные в опытах Рейнольдса и др., Магоно и Такахаши, не­ смотря на специальный выбор для оценки сравнительно малого значения разности потенциалов вода—лед.

Из экспериментов Чарча (см. в [294]) следует, что описанный выше механизм может иметь место при соударении и временном контакте замерзающих капелек с холодной ледяной поверхностью.

соударении с ледяной поверхностью последняя получала средний заряд (2,8±0,9) • 10-14 Кл; капелькам радиусом 90 мкм соответство­ вал заряд (2,5±0,3) ■ІО-15 Кл, 55 мкм (7,6±0,7) • 10_і6 Кл. Капельки не обнаруживали следов разрушения. Если же капельки не замер­ зали, то они расплывались по поверхности. Обнаруживались отдель­ ные капельки радиусом до 10 мкм, но ледяные кристаллы отсутство­ вали. При температуре пробного тела около —13° С и температуре капелек около —3° С тело получало отрицательный заряд порядка ІО-15 Кл. Если температура капелек была выше 2°С, то заряд был положительным и в среднем составлял 5- ІО-16 Кл.

Из проведенного выше анализа механизмов электризации при соударении ледяных частиц и переохлажденных капелек с поверх­ ностью льда вытекает, что наиболее интенсивным из них является механизм электризации при одновременном соударении ледяных частиц и переохлажденных капелек с поверхностью льда. Этот ме­ ханизм является комплексным. Можно полагать, что основную роль здесь играет активация протонов под влиянием градиента темпера­ туры, механической энергии и процессов, протекающих на границе вода—лед при кристаллизации. Необходимо отметить, что, согласно современным воззрениям, присутствие в воде примесных ионов также сказывается на активации протонов и тем самым на элек­ тризации. Знак и интенсивность электризации зависят от соотноше­ ния между собой указанных процессов, действующих в том или ином направлении на активацию протонов.

3.1.7. Баллоэлектрический эффект

Баллоэлектрический эффект, если понимать под ним электри­ зацию при разрушении воды, может возникать в атмосферных

203