Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

происходило столь быстро, что вскоре с шаров начинали срываться капли, а это значительно усложняло условия опытов. В результате было выполнено всего два удачных опыта при встречном соударе­ нии с относительной скоростью около 10 м/с. Диаметр капель был 4,4 мм. В одном из этих опытов заряд шара оказался меньше 3- ІО-12 Кл, так что его не удалось измерить; во втором опыте за­ ряд оказался равным 13- ІО-12 І\л. Таким образом, можно полагать,, что при соударении капель воды с градинами, покрытыми пленкой воды, также наблюдается баллоэлектрический эффект, причем до­ вольно значительный, во всяком случае, того же порядка, что и при спонтанном разрушении крупных капель.

Применяя ту же установку с вращающимися латунными шарами, Мучник [130] исследовал зависимость электризации от размеров капель при соударении с шарами. Опыты были проведены с каплями дистиллированной воды при относительной скорости со­ ударения около 10 м/с (табл. 44).

Т а б л и ц а 44

Зависимость электризации при соударении шаров и капель от размеров капель.

По В. М. Мучнику [130]

Из табл. 44 следует, что заряды, образующиеся при соударении капель воды с латунными шарами, сначала растут с увеличением радиуса капель, достигают максимума при некотором значении радиуса (2,2—2,5 мм), а затем начинают убывать. Это означает, что с увеличением радиуса при неизменной скорости соударения степень разрушения капель, а следовательно, и степень электриза­ ции растут, однако до некоторого критического значения радиуса. Капли, радиус которых больше критического, более неустойчивы, и для их разрушения требуется меньшее усилие. Поэтому такие капли разрушаются на меньшее число более крупных фрагментов. Если рассчитать заряд на единицу массы воды, то максимальные значения придутся на капли еще меньших размеров — радиусом

1,6 мм.

Несколько иная зависимость степени электризации от размеров капель была получена Шевчуком и Ирибарне [515]. При встречном

213

соударении шара с каплями радиусом от 1 до 3 мм наблюдалась линейная связь между величиной зарядов и размерами капель (скорость соударения 19 м/с; шар металлический, покрыт полисти­ ролом; капли из раствора NaCl 10_3 N). Авторы отмечают, что

•средние значения зарядов получены из сравнительно небольшого числа данных (около 30 отсчетов) при весьма большом разбросе отдельных отсчетов.

Необходимость рассмотрения электризации при соударении капель дождя с твердой подстилающей поверхностью и водной поверхностью рек и морей основывается на том, что заряды, кото­ рые при этом образуются, могут как-то влиять на условия образо­ вания и развития грозового электричества, а также на результаты атмосферно-электрических измерений у поверхности земли. Так, ливневый дождь, которым сопровождаются грозы, является крупно­ капельным, и поэтому соударение капель ливневого дождя с по­ верхностью почвы или воды должно приводить к образованию не­ которого заряда.

При соударении с горизонтальной плоской твердой поверхностью не вся масса капли отражается от нее: часть капли, захваченная силами сцепления, остается на поверхности. Поэтому часть капли, которая отражается в виде капелек, отрывается не от твердой по­ верхности, а от самой жидкости. Следовательно, электризация должна характеризоваться не только контактной разностью потен­ циалов между твердым телом и жидкостью, но и баллоэлектриче­ ским эффектом, имеющим место при разрушении капель. Величина заряда при разрушении капель дистиллированной воды диаметром 4,4 мм, соударяющихся со смоченной поверхностью цинковой пла­

лучен и в других исследованиях.

По-видимому, соотношение между электризацией за счет кон­ тактной разности потенциалов и электризацией за счет баллоэлек­ трического эффекта в значительной степени зависит от толщины слоя жидкости на поверхности твердого тела. Когда толщина слоя воды становится больше диаметра капель, процесс взаимодействия капель со слоем воды становится своеобразным. Механизмом такого взаимодействия и электризацией, наблюдаемой при этом, занимались Чалмерс и Паскуилл (см. в [98]), Ирибарне и Мей­ сон [346].

Джонас и Мейсон [351] обнаружили, что при падении на поверх­ ность воды капель радиусом 180 мкм под углом 50° к горизонту -со скоростью 140 см/с образуются вторичные капли радиусом 65 мкм (рис. 59). Капля на поверхности воды сначала сплющивается, про­ гибая воду под собой, а затем начинает осциллировать. Одно­ временно происходит выжимание воздушной пленки между каплей и поверхностью воды и частичное их слияние. Большая часть капли переливается через перемычку в слой воды, а меньшая часть при ■очередном колебании получает толчок вверх и в виде капли взле­ тает на высоту в несколько сантиметров. Исследование химического

214

состава вторичных капель показало, что они почти полностью со­ стоят из жидкости первичных капель. Таким образом, при соударе­ нии капель как с горизонтальной поверхностью твердого тела, так и с поверхностью жидкости основным процессом, влияющим на электризацию капель, является контактная разность потенциалов жидкость—жидкость, а не жидкость — твердое тело. Величина за-

NaCl первичных капель и слоя величиньГзарядов вторичных капель уменьшаются. При концентрации раствора ІО-4 N происходит пере-

рядка ІО-17 Кл.

Эти результаты находят подтверждение в опытах Чалмерса и Паскуилла (см. в [98]). При выливании струи морской воды в мор­ скую воду образовывались вторичные капли, которые поднимались над поверхностью на высоту до 2 см и имели положительные за­ ряды. Бланшар [237] сбрасывал капли на поверхность морской воды. Он обнаружил, что вторичные капли радиусом 3 мкм могут получать заряд около 10~16 Кл. Таких капель вырывается несколько одна за другой. Таким образом, при падении дождевых капель на поверхность пресных водоемов или на поверхность воды, образован­ ной дождем, следует ожидать появления положительных зарядов п оря дк а ІО 16 Кл.ня каплю, а при их падении на поверхность воды морей 'йГ” океанов — отрицательных__зарядов_примерно того же порядка.

215

3.1.10. Электризация при разрушении воздушных пузырьков на поверхности воды и при таянии льда

При выходе воздушных пузырьков на поверхность жидкости происходит разрушение пленки, которое сопровождается электриза­ цией. Кроме того, в кратер на поверхности, образующийся в момент разрушения пузырька, быстро затекает окружающая жидкость, что приводит к фонтанированию струйки, распадающейся на несколько капелек. Этот процесс также сопровождается электризацией. Однако экспериментальные исследования показали, что электриза­ ция имеет место только в случае.подярных жидкостей и зависит от их диэлектрической проницаемости. Согласно Коэну и Мозеру [270], при использовании воды с 8=7,2 • 10-10 Ф/м обнаруживается на порядок более высокая электризация при разрушении воздушных

(е = 4,4-10-11 Ф/м) и бензол (е = 2-10-11 Ф/м), электризация оказы­ вается совсем слабой. При разрушении нитей из неполярной жидкости (бензол и четыреххлористый углерод) на капельках, как показали Джонас и Мейсон [351], заряды не обнаруживаются. Как механизм разрушения воздушных пузырьков на поверхности воды, так и явления электризации при этом были довольно обстоятельно исследованы (Вудкок и др. [576]Г Ьланшар 1237] и др.) в_связи с вопросом об образовании гигантских ядер конденсации_н проблемой электрического состояния "атмосферы?-

Можно представить по крайней мере два процесса в кучево­ дождевых облаках, при которых происходит выделение воздушных пузырьков из гидрометеоров. При подъеме крупных капель вверх и их переохлаждении и замерзании выше уровня изотермы 0иС происходит выделение воздуха в виде пузырьков. Дннджер и Ганн [281] наблюдали выделение микроскопических пузырьков при за­ мерзании воды, в которой был растворен воздух. Это явление про­ исходит настолько бурно, что создается впечатление «вскипания» воды, которая выливается через трещины в ледяной оболочке на ее поверхность (В. М. Мучник и Ю. С. Рудько [139]). Второй процесс, при котором происходит выделение пузырьков из гидрометеоров, имеет место при падении града и снежинок ниже уровня изотермы 0° С, когда освобождается воздух, содержащийся во льду.

Степень электризации замерзающих переохлажденных капель при вырывании пузырьков воздуха из их поверхности специально не исследовалась. Однако на основании экспериментов Мучника и Рудько можно считать, что заряды, образующиеся на замерзающей капле радиусом около 1 мм, малы и не первышают 10“ 13 Кл на каплю.

Динджер и Ганн [281] исследовали электризацию при таянии льда, изготовленного из свежей бидистиллированной воды. При вырывании пузырьков воздуха лед получал положительный заряд, а воздух — отрицательный. Максимальный заряд составлял 4,ІХ ХЮ' 7 Кл/кг. Это довольно большой заряд по сравнению с зарядом

216

около 1,6-ІО-8 Кл/кг, полученным при спонтанном разрушении крупных капель воды. Электризация зависела от pH и с к о р о с т и таяння льда: с уменьшение’дГсІШрости ишГбыстро уменьшалась. Для равновесного, значения pH^6,2 (дистиллированная вода) заряд имел наибольшее значение и быстро уменьшался с увеличением и уменьшением pH от 6,2. Для pH, большего 10 и меньшего 2,5, агуэяд уменьшался практически до нуля. Авторы [281] также-обнаружили быстрое уменьшение заряда с увеличением электропроводности воды. Большое влияние на величину зарядов оказывали даже не­ большие примеси С 02. Динджер [279] обнаружил, что вообще любое загрязнение примесями сильно влияет на результаты экспериментов.

Опыты Динджера и Ганна были повторены Метьюсом и Мейсо­ ном [435]. Они получили, что независимо от способа изготовления снега и его чистоты при таянии электризация практически не на­ блюдалась. Во всяком случае, она меньше 3- ІО-8 Кл/кг. Это пора­ зительное несоответствие в какой-то степени можно объяснить тем„ что в установках Метьюса и Мейсона скорость таяния была не­ большой. Кроме того, как признали авторы [435], в их опытах было­ возможно загрязнение льда примесями С 02.

Магоно и Кикучи [413] исследовали электризацию при таянии ледяных частиц, растущих в результате сублимации. Измерения зарядов как растаявших, так и не подвергавшихся нагреванию и таянию частиц дали следующие результаты. Частицы инея в 41% случаев имели отрицательные заряды, в 25% — положительные, а в 34% случаев заряды не были обнаружены. Растаявшие частицы инея имели соответствующие заряды в 14, 41 и 45% случаев, так что число отрицательно заряженных капелек значительно уменьши­ лось, а число положительных увеличилось по сравнению с соответ­ ствующими данными для ледяных частиц. Магоно и Кикучи выпол­ нили также опыты с изменением зарядов при таянии естественных снежинок. Они обнаружили, что в результате таяния снежинок повторяемость случаев с положительными зарядами возрастает. Но результаты этих опытов вызывают сомнение, так как авторы не исключили возможное влияние изменения градиента темпера­ туры в приборе на электризацию.

В дальнейшем Кикучи [359] предпринял попытку исследовать зависимость электризации при таянии от типа естественных ледя­ ных частиц и от содержания в них пузырьков воздуха. Он выяснил, что все ледяные частицы при таянии преимущественно приобре­ тают положительные заряды. При этом электризация наиболее сильно выражена у дендритов и ледяных кристаллов неправильной формы и менее сильно — у игл. При таянии естественных ледяных частиц обнаруживались пузырьки воздуха. Электризация кусочков льда, полученных искусственным путем, показала, что заряд, обра­ зующийся при их таянии, приближенно пропорционален общему объему воздуха, заключенного в пузырьках. Кикучи обращает внимание на то, что его данные получены при больших скоростях таяния ледяных частиц. Кикучи [360] установил, что отношение числа капелек с положительными зарядами, образующихся при

217