Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

вовать пропорциональность между суммарным зарядом, тяжелых ионов, образующихся при разрушении капель в электрическом поле, и напряженностью поля. Такая зависимость в пределах точности эксперимента была получена для напряженности поля от 1,2 • ІО'1

до 17,3- ІО4 В/м.

Исследования электризации при разрушении капель в электри­ ческом поле выполнили Магоно и Коэиума [414], Метьюс и Мей­ сон [436].

Магоно и Коэнума [414] исследовали электризацию при разру­ шении капель питьевой воды диаметром 6,2 мм в горизонтальном электрическом поле напряженностью 2 • ІО3 В/м. Каждая капля разрушалась в вертикальной воздушной струе примерно на 10 ка­ пелек; заряд одной из них измерялся. Было обнаружено, что неза­ висимо от направления поля на капельках образуются заряды обоих знаков, но с преобладанием одного из них. Предположив, что измеренный заряд на капельке составляет Vs общего заряда, образующегося на капле при ее разрушении, с учетом заряда бал­ лоэлектрического эффекта, Магоно и Коэнума получили средние заряды равными —7 • ІО-12 и 2 • ІО-12 Кл. Заметим, что при боль­ шом числе опытов они должны были получить одинаковые заряды обоих знаков, так как условия разрушения капель были симмет­ ричными по отношению к.электрическому полю. Необходимо учи­ тывать, что в горизонтальном поле заряды разных знаков образу­ ются на частицах примерно одинаковых размеров, потому что их разделение в гравитационном поле не будет систематическим. Так как в рассмотренных опытах происходило интенсивное разрушение капель, сопоставим эти результаты с результатами В. М. Мучника [123] для вертикального поля. На основании экстраполяции графика

Метьюс и Мейсон [436] исследовали электризацию при разру­ шении капель в вертикальном электрическом поле. Капли с началь­ ным эквивалентным диаметром 1,5 см падали в спокойном воздухе с высоты 12 м, принимая при разрушении грибообразную форму, причем диаметр «гриба» превышал 2 см. Измерялись заряды и объем фрагментов. Все опыты проводились с дистиллированной во­ дой, за исключением одного, когда использовалась питьевая вода. Авторы установили, что водяная пленка в момент разрушения капли имеет толщину около 10 мкм. Они получили, что до 1,1— 1,2 см3 увеличение объема фрагментов капель сопровождается уве­ личением их зарядов. При перемене направления поля происходило соответствующее изменение знаков зарядов на фрагментах, но не все фрагменты имели заряды одинакового знака. Это означает, что, кроме основных фрагментов, образующихся из нижней тороидаль­ ной части капли, получаются сравнительно крупные фрагменты из верхней части капли. По данным о зарядах на фрагментах авторы

242

3.2.6.Коронный разряд на каплях и ледяных частицах как причина электризации гидрометеоров

Всильных электрических полях грозовых облаков возможно образование коронного разряда на гидрометеорах, как жидких, так

итвердых. В результате может возникнуть целый ряд процессов, весьма существенных для образования и разделения зарядов в гро­ зовых облаках. Так, потоки электронов и ионов при коронном раз­

ряде являются источником высоких концентраций легких ионов в воздухе. В случае одностороннего коронного разряда должно про­ исходить интенсивное заряжение гидрометеоров. Поэтому сущест­ венно рассмотреть, какие элементарные процессы могут привести

квозникновению коронного разряда в грозовых облаках.

Вэлектрическом поле сферическая капля преобразуется в эл­ липсоид, причем тем более вытянутый, чем больше напряженность поля. Кроме того, в сильных полях на полюсах эллипсоида образу­ ются заострения.

При определенном вытягивании капли и малом радиусе кри­ визны на концах каплиполе оказывается достаточным для возник­ новения коронного разряда, особенно при уменьшении давления. При сближении двух крупных капель в электрическом поле созда­ ются условия, которые облегчают возникновение коронного раз­ ряда на концах этих капель.

В случае ледяных гидрометеоров сферической формы также можно ожидать возникновения коронного разряда, но при более высоких значениях напряженности электрического поля из-за отсут­ ствия искривления поверхности под действием сил поля. Однако твердые гидрометеоры сферической формы редко имеют идеально гладкую поверхность; как правило, на них появляются всякого рода выпуклости, рога и т. п. Для твердых гидрометеоров продол­ говатой или пластинчатой формы существуют благоприятные усло­ вия для возникновения коронного разряда в электрическом поле, особенно если отношение осей велико и длинная ось имеет то же направление, что и электрическое поле. Весьма легко должен возни­ кать коронный разряд с концов пары гидрометеоров продолговатой формы, когда они сближаются своими концами и составляют одну линию с направлением электрического поля. В этом случае корон­ ный разряд будет происходить не только с внешних концов гидро­ метеоров, но и в промежутке между ними.

При сближении гидрометеоров сферической и продолговатой формы, когда последние имеют направление, совпадающее с на­ правлением электрического поля, создаются благоприятные условия для возникновения коронного разряда с продолговатого гидроме­ теора на сферический и в воздух. Если сферический гидрометеор

жидкий, возможно достижение критической напряженности на по­ верхности капли, достаточной для локального искривления и раз­ рушения поверхности, что облегчает возникновение коронного раз­ ряда.

При коронном разряде существуют благоприятные условия для разделения зарядов на гидрометеор ахНо если этот процесс не сопровождается макроразделением зарядов в гравитационном поле, то он может только способствовать уменьшению напряженности электрического поля, а не созданию заряженных областей в грозо­ вых облаках. Поэтому особый интерес представляют все те случаи, когда при возникновении коронного разряда происходит заряжа­ ние гпдрометеоров, имеющих разную скорость падения, или когда происходит разделение зарядов между гидрометеорами и воздухом. По-видимому, с этих позиций разделение зарядов между гидроме­ теорами, например каплями или ледяными частицами почти рав­ ных размеров, представляет мало интереса. Наоборот, во всех слу­ чаях, когда происходит односторонний коронный разряд и разделе­ ние зарядов осуществляется между гидрометеорами и воздухом, надо ожидать макроразделения зарядов. Кроме того, при сближе­ нии капель или ледяных частиц разных размеров можно также ожидать макроразделения зарядов за счет коронного разряда. Таким образом, в грозовых облаках может осуществляться ряд процессов, при которых возникает коронный разряд, имеющий большое значение для развития грозовых явлений. Однако эти про­ цессы являются одними из наименее исследованных.

Зелени [590, 591] первым установил, что при приложении доста­ точно высокого потенциала к искривленной поверхности капли воды, выжимаемой из капилляра, происходит образование корон­ ного разряда. При давлениях воздуха, близких к нормальному, искривление поверхности под действием электрических сил вызы­ вает ее разрушение и выбрасывание из нее тонкой струйки воды. Это приводит, с одной стороны, к увеличению отношения длины «жидкого» острия (длина капилляра плюс длина капли, вы­ тянутой в направлении электрических сил) к диаметру капилляра, а с другой — к значительному уменьшению радиуса кривизны на конце струйки перед ее разрушением на капельки. Оба эти обсто­ ятельства вызывают значительное понижение критического потен­ циала зажигания коронного разряда. Из опытов Зелени нельзя определить, возможен ли коронный разряд без разрушения поверх­ ности «жидкого» острия или он при нормальном давлении является только сопутствующим явлением. Зелени пришел к выводу, что ток, который течет с острия, в основном вызван зарядами, уносимыми капельками, а не током коронного разряда.

Из опытов Инглиша [292] с «жидким» острием следует, что при пониженном давлении, около 670 мб, при положительном потен­ циале возникает коронный разряд, который не сопровождается об­ разованием струйки капелек. При понижении давления до 270 мб происходит пропорциональное, довольно значительное понижение потенциала зажигания положительного коронного разряда, тогда

244

как отрицательный коронный разряд начинается только в резуль­ тате образования струйки при практически не зависящем от дав­ ления потенциале. Таким образом, обнаруживается значительное различие в образовании коронного разряда в зависимости от знака потенциала. Хотя эксперименты Зелени и Инглиша позволяют по­ лучить представление о некоторых существенных особенностях ко­ ронного разряда с поверхности воды, их результаты нельзя прило­ жить непосредственно к каплям, свободно падающим в электриче­ ском поле.

Уже Нолан [461] отмечал, что при разрушении свободно падаю­ щих капель в горизонтальном электрическом поле наблюдается свечение коронного разряда. Такой же эффект был обнаружен Вильсоном, как сообщает Мекки [411]. Значительно больше под­ робностей было получено Мекки [411], который исследовал тихий разряд при разрушении капель в электрическом поле, в частности, в связи с возможным влиянием разряда на образование ионов в грозовых облаках. Он обнаружил, что при нормальном атмосфер­ ном давлении при достижении критической напряженности поля на обоих концах капли образуются нити и возникает коронный или искровой разряд. Мекки отмечает, что в положительном вертикаль­ ном поле для капель, радиус которых больше 1,1 мм, существует различие между критическими напряженностями образования ко­ ронного и искрового разрядов. Для капель радиусом меньше 1,1 мм это различие не обнаружилось, так как во всех случаях разруше­ ние капель сопровождалось искровым разрядом. Необходимо, однако, учитывать, что возникновение того или иного типа разряда зависит от расстояния между электродами конденсатора, создаю­ щего поле; в опытах Мекки это расстояние составляло около 8 см. При больших расстояниях между электродами искровой разряд мо­ жет и не возникнуть, и тогда обнаружится только коронный раз­ ряд. С повышением напряженности поля свечение усиливается, что указывает на усиление тока коронного разряда. Наиболее интен­ сивное развитие корона получает на положительном полюсе капли. В горизонтальном электрическом поле также наблюдается образо­ вание коронного разряда с более интенсивным свечением на поло­ жительном полюсе капли. Мекки не обнаружил какой-либо зави­ симости критической напряженности зажигания коронного разряда от давления воздуха, по крайней мере до 350 мб. С понижением давления воздуха обнаруживается только увеличение интенсив­ ности свечения разряда. Таким образом, между результатами экс­ периментов Мекки [411] и Инглиша [292] существует заметное раз­ личие, которое, по-видимому, определяется различиями в условиях экспериментов.

Для установления причины возникновения коронного разряда Мекки поместил в поле между электродами металлический шарик диаметром 6 мм. Для возникновения разряда потребовалась напря­ женность поля 1,9 • ІО6 В/м, но разряд был только искровым. Затем Мекки моделировал каплю металлическим телом, состоящим из двух конусов, соединенных основаниями. Диаметр в основании

245

4 мм, длина тела 15 мм. При помещении этого тела в поле таким образом, чтобы его длинная ось была направлена вдоль линий поля, наблюдался коронный разряд с более интенсивным свечением на положительном конце, т. е. было получено качественное воспро­ изведение коронного разряда с капли.

Мекки предпринял попытку определить ток коронирования в за­ висимости от напряженности электрического поля. Он получил, что ток разряда зависит от превышения напряженности поля над кри­ тической. В частности, для капли радиусом 1,56 мм при напряжен­ ности поля ІО6 В/м, превышающей критическую на 2 • ІО4 В/м, ток коронирования оказался приближенно равным 2- ІО-5 А. Но Мекки не исследовал, какие заряды переносятся капельками при разру­ шении водяной нити, а какие — токами разряда.

При сближении двух капель в электрическом поле в проме­ жутке между ними происходит локальное искажение поверхности, тем более интенсивное, чем больше напряженность. Согласно [47], степень искажения поверхности приблизительно пропорциональна второй степени напряженности поля. Поэтому можно ожидать, что при сближении капель еще до момента их соприкосновения проис­ ходит разряд. Как показал В. А. Дячук [43], для капель радиусом около 1 мм в поле напряженностью (З-г-5) • ІО5 В/м примерно за 2 - ІО-4 с до слияния расстояние между вершинами конусов в про­ межутке между каплями составляет около 0,1 мм. Для грубой оценки примем, что разряд начинается при расстоянии между вер­ шинами конусов 0,05 мм и продолжительностью его ІО-4 с. Так как электропроводность воды достаточно велика, это время значительно больше времени релаксации, и разделение зарядов произойдет еще до момента соприкосновения вершин конусов.

5,4-ІО-11 Кл. Если предположить, как это делает Н. С. Шишкин [203], что только малая часть этого заряда попадает в воздух, то и тогда при одном акте контакта между каплями в воздух поступит большое количество ионов. Очевидно, существует необходимость в экспериментальном подтверждении предположения, высказанного Шишкиным.

При соударении двух капель в сильных электрических полях, особенно если линия, соединяющая их центры, оказывается парал­ лельной направлению электрического поля, создаются благоприят­ ные условия для возникновения коронного разряда с их концов. После осуществления электрического контакта силы, притягиваю­ щие капли друг к другу и проявляющиеся в основном в зазоре между ними, исчезают, и пару капель следует рассматривать как одно тело. Силы, действующие на полюсах пары капель, можно приближенно вычислить, заменяя капли одним эллипсоидом враще­ ния с длинной полуосью, равной 2г, и короткой полуосью, равной г. На полюсах такой пары капель должна возникнуть максимальная напряженность поля, примерно на 30% большая, чем на полюсах одинарной капли (см. табл. 45). Вследствие этого неустойчивость

246