Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Из табл. 54 видно, что при одном и том же направлении поля знак и величина зарядов зависят от угла соударения между кап­ лями и шаром. Из того, что в положительном поле (опыты 1, 2, 3) шар при краевых соударениях с каплями получает положитель­ ные заряды, следует, что капли скользят по поверхности шара и отрываются в его верхней половине. При центральных соударениях (опыты 1, 2, 3) шар получает отрицательные заряды, так что капли в основном отражаются от его нижней половины. Если направле­ ние поля меняется на обратное (опыт 4), то обнаруживается соот­ ветствующая перемена знаков зарядов. С увеличением скорости соударения шара с каплями под углами 90, 15 и 0° происходит про­ порциональное увеличение зарядов.

Левин [395а] выполнил исследование электризации капель дождя при соударении с металлическим шаром диаметром 2,5 см в электрическом поле напряженностью от нуля до 7,9- ІО3 В/м. Он получил, что в общем с увеличением напряженности поля заряд шара растет.

3.2.4. Электризация при таянии градин в электрическом поле

При рассмотрении электризации при таянии градины было по­ казано, что этот процесс обусловливается разрушением пузырьков воздуха, вырывающихся из поверхности градины при таянии льда. Если такой процесс будет происходить в электрическом поле, не­ обходимо ожидать значительного видоизменения основного эффекта электризации. Представим себе пузырек воздуха, который выры­ вается из поверхности ледяной сферы, покрытой водой, в направ­ лении электрического поля. Можно считать, что к моменту разру­ шения пузырек образует на поверхности воды выпуклость примерно того же диаметра, что и сам пузырек. Поэтому наименьший заряд, который унесет с собой лопнувшая пленка пузырька радиусом г с поверхности градины радиусом R (R^>r), будет равен [99]

q = 9 • 10-14 Кл, т. е. заряд имеет тот же порядок величины, который получали в специальных условиях эксперимента без электрического поля Динджер [279] и Мак-Криди и Праудфит [406]. Если же про­ изойдет вырывание большого пузырька, допустим, с r = 5 -10-4 м, то заряд окажется весьма большим: 2,2- ІО-12 Кл. Проведенные вы­ числения касались только случая, когда пузырьки лопались на «по­ люсах» градины. Если же пузырьки будут вырываться из поверх­ ности градин под некоторыми углами к направлению поля, то ин­ дуцированные заряды будут соответственно меньше, а на «экваторе» равны нулю. При разрывании пленки пузырьков образуются весьма маленькие капельки, в том числе размеров тяжелых ионов. Следо­ вательно, при таянии градин в электрическом поле в атмосферу

237

будут поступать в большом количестве сильно заряженные мель­ чайшие водяные капельки.

Вырывание пузырьков из поверхности тающей градины вряд ли является симметричным процессом. Это обусловлено тем, что при таянии в градине возникает конвекция, которая будет переносить пузырьки в верхнюю часть падающей градины. Так как можно ожидать, что в падающей градине большая часть пузырьков будет вырываться из поверхности ее верхней половины, то знак заряда градины в поле нормального направления должен быть положи­ тельным. Необходимо отметить, что данные предположения еще не проверены экспериментально.

При таянии крупной градины с ее верхней части будут сры­ ваться крупные капли. Исследования В. М. Мучника [119] и Блаишара [235] показали, что вода накапливается в виде ободка, кото­ рый при достижении некоторой толщины срывается в виде капель. Иногда срывающиеся капли разрушаются. Такой процесс в элект­ рическом поле должен привести к электризации градин и капель, что было обнаружено Мучником [119]. В дальнейшем этот меха­ низм электризации был исследован Мучником [128] несколько под­ робнее. В вертикальном потоке шириной 4—5 см подвешивалась на изолированной нити ледяная сфера или бесформенный кусок льда. Из-за малой ширины струн образцы льда довольно сильно раскачивались, пересекая ее при каждом колебании. Это вносило определенное своеобразие в условия опыта, которого нельзя ожи­ дать в естественных условиях. Радиусы ледяных сфер и кусков льда составляли несколько сантиметров. Опыт продолжался до тех пор, пока в результате таяния от начального куска льда оставалась примерно половина. Чаще всего с поверхности куска льда срыва­ лась одна крупная капля (диаметром 4—5 мм) и ряд более мелких капелек. Были измерены заряды 991 капли, из которых 431 имела

Т а б л и ц а 55

Зависимость электризации при срывании капель с тающих кусков льда от напряженности электрического поля. По В. М. Мучнику [128]

238

положительные заряды, а 560 — отрицательные в поле положитель­ ного направления. Появление зарядов того или иного знака вслед­ ствие раскачивания градины на нити было случайным. Но так как в каждом опыте с тающего куска льда срывалось от 40 до 240 ка­ пель, средние абсолютные значения зарядов должны обнаружить существование зависимости электризации капель от напряженности электрического поля (табл. 55).

Из табл. 55 видно, что с увеличением напряженности поля рас­ тут как средние, так и максимальные заряды. При этом не обна­ руживаются какие-либо заметные различия между данными для шаров и кусков льда. При таянии градины в поле напряженностью 5 -104 В/м образуется удельный заряд не менее 1,6-ІО-6 Кл/кг.

3.2.5. Электризация при разрушении капель в электрическом поле

Эльстер и Гейтель [290] первыми обратили внимание на возмож­ ное влияние разрушения капель в электрическом поле на образова­ ние зарядов в грозовых облаках. Они считали, что при разрушении больших капель в электрическом поле должно происходить разде­ ление зарядов, образующихся на каплях благодаря поляризации: на маленьких капельках возникают заряды одного знака, а на бо­ лее крупных каплях — заряды противоположного знака. Эти пред­ ставления подверг критике Симпсон [519]. Он указал, что, согласно опытам Ленарда [392], при разрушении крупных капель все фраг­ менты разлетаются радиально, симметрично по отношению к капле. Поэтому как крупные, так и мелкие капельки в вертикальном электрическом поле имеют одинаковую вероятность получить за­ ряды того или иного знака, и никакое макроразделение зарядов

вгравитационном поле не должно иметь места. Это ошибочное мнение не подвергалось пересмотру до 1945 г., пока В. М. Мучник

вряде предварительных качественных опытов 1 не получил, что при разрушении крупных капель в электрическом поле на крупных фрагментах образуются заряды в основном одного знака, а на во­ дяной пыли — заряды другого знака, что обусловливает их разде­

ление в гравитационном поле Земли.

В конце 40-х и в 50-х годах ряд исследователей обратил внима­ ние на возможное влияние разрушения крупных капель в электри­ ческом поле на процессы образования зарядов в грозовых облаках. В. С. Комельков [86] указал: «Возникающие в начальной стадии грозообразования положительно электризованные облачные массы влияют на дальнейшие процессы, создавая аномальное поле, в ко­ тором осуществляется разбрызгивание. Капли воды падают в зону

1 Эти опыты были выполнены в Институте физики Академии наук Украин­ ской ССР благодаря любезному содействию его директора А. И. Лейпунского.

239

с исследованиями В. М. Мучника в этом направлении, считал, что отсутствуют исследования по электризации при разрушении ка­ пель в электрическом поле.

В. М. Мучник [119, 123, 124] исследовал электризацию при раз­ рушении капель в вертикальной струе воздуха в электрическом поле. При разрушении крупной капли большие фрагменты падали вниз, а мельчайшие капельки и, по-видимому, легкие и тяжелые ионы уносились струей, т. е. происходило разделение индуцирован­ ных на капле зарядов. На рис. 66 приведены данные о зависимости заряда при разрушениях капель диаметром 5,8 мм от напряжен­ ности поля (капли из питьевой воды). В большинстве случаев раз­ рушения происходили весьма интенсивно. Всего было выполнено пять серий опытов со средним количеством капель 80—90 в каждой из них. Как видно из рисунка, существует прямо пропорциональная

с (79). Изменение направления поля приводило к соответствую­ щему изменению знака заряда, образующегося при разрушении ка­ пель. При нормальном направлении поля крупные фрагменты ка­ пель получали положительные заряды.

При сильном, грибообразном разрушении капель заряды оказы­ ваются значительно большими, чем при их слабом, гантелеобраз­ ном разрушении, как следует из данных Мучника [119]. При одина­ ковой напряженности поля средний заряд при сильном разрушении капель оказался почти в 5 раз больше, чем при слабом разруше­ нии. Из этих опытов следует, что разрушение капель является не однородным процессом и степень раздробления капель при одном II том же типе разрушения, например грибообразном, может быть весьма различной.

По рис. 66 можно определить, что при интенсивном, как пра­ вило, грибообразном разрушении капли радиусом 2,9 мм в поле напряженностью 5- 104 В/м образуется заряд q, в среднем равный 6 - 10-10 Кл. На основании (79) для той же напряженности поля и того же радиуса капли находим <7= 0,23- 10-10 Кл. Следовательно, в этом случае заряд, образующийся в электрическом поле, при­ мерно в 25 раз больше вычисленного. Поэтому можно предполо­ жить, что в среднем размер капли в момент грибообразного раз­ рушения в 5 раз больше, чем эффективный радиус капли. Этот результат согласуется с данными опытов Гохшвендера (см. в [394]), В. И. Арабаджи [7], Метьюса и Мейсона [436], Котона и Гокхейля

240

[272] и др., которые показали, что в момент грибообразного разру­ шения капли увеличивают свои размеры по сравнению с эффектив­ ными в несколько раз. Кроме того, можно полагать, что в момент разрушения капля принимает форму эллипсоида, вытянутого в вер­ тикальном направлении, что также должно привести к увеличению индуцированного заряда. Согласно Нолану [460], за счет баллоэлектрического эффекта при интенсивном разрушении одной капли

Как было показано в разделе 3.1.7, баллоэлектрический эффект сильно зависит от содержания солей и для больших концентраций равен нулю. Для того чтобы проверить, какое влияние могут ока­ зать примеси на электризацию при разрушении капель в электриче­ ском поле, Мучник [119] провел исследование с раствором 25 г NaCl в 2 л воды, т. е. с раствором большой концентрации, и с дистил­ лированной водой, выдержанной в закупоренной бутылке в течение двух недель и представляющей собой слабый раствор солей. Было получено, как и следовало ожидать, что использование сильных и слабых растворов взамен питьевой и дистиллированной воды не приводит к какому-либо изменению интенсивности электризации.

В. М. Мучник [124] исследовал образование ионов при разру­ шении капель в электрическом поле. Предполагалось, что как лег­ кие, так и тяжелые ионы несут один элементарный заряд. Было получено, что число легких ионов, образующихся при интенсивном разрушении одной капли радиусом 2,9 мм в поле напряженностью 1,7-ІО4 В/м, имеет порядок ІО5, а их суммарный заряд равен ІО-14— ІО-15 Кл, тогда как количество тяжелых ионов достигает ІО9, что соответствует суммарному заряду около 3,3 • 10-10 Кл. При учете тяжелых ионов, образующихся за счет баллоэлектрического эф­ фекта без электрического поля, оказалось, что их заряд при напря­ женности поля 1,7 • ІО4 В/м равен 3 • 10-10 Кл. Если считать, что нет существенных потерь зарядов при измерениях, то суммарный заряд тяжелых ионов должен быть равен и противоположен по знаку суммарному заряду крупных фрагментов. Этот заряд можно опре­ делить по графику рис. 66. Он оказался равным 2,3-10~1 0 Кл. Принимая во внимание приближенный способ измерения коли­ чества тяжелых ионов, следует считать согласие между этими дан­ ными достаточно хорошим.

В опытах, проведенных Мучником [119], была показана сильная зависимость величины заряда от интенсивности разрушения капли.

Для того чтобы обнаружить влияние интенсивности разрушения

1,2- 10-10 Кл, тогда как при сильном разрушении возникает заряд 2 • ІО-9 Кл, т. е. почти в 20 раз больший. Эта величина значительно превышает значение, полученное ранее Мучником [119], и ее сле­ дует считать более точной. Действительно, если для напряженности