Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

на концах пары капель возникает при напряженностях поля, при­ мерно на 30% меньших, чем для одинарной капли. На рис. 15 по­ казаны последовательные этапы поведения пары капель в горизон­ тальном электрическом поле, достаточном для возникновения их неустойчивости. На определенном этапе на их концах отчетливо видны конусообразные заострения. В результате неустойчивости и вырывания струек из концов пары капель произойдет коронный разряд, при котором в воздухе может образоваться значительное количество легких ионов. Образование конусообразных заострений на концах пары капель может создать такие условия, при которых возможно возникновение коронного разряда без вырывания струек из полюсов, в особенности при пониженном давлении.

Согласно Мекки, для разрушения крупных капель (радиусом около 2,5 мм) требуется напряженность поля около 8 - ІО5 В/м. Для пары таких капель потребуется поле напряженностью уже около 5,5 • ІО5 В/м. Если учесть возможное влияние давления воздуха на критическую напряженность зажигания коронного разряда, то она на высоте облаков не должна превышать (4-ь5) • ІО5 В/м. До сих пор при рассмотрении поведения пары капель в электрическом поле упускалось из вида влияние аэродинамического воздействия, кото­ рое должно быть весьма значительным. При падении и спонтанном разрушении крупных капель последние сравнительно часто прини­ мают так называемую гантелеобразную форму. Следовательно, аэродинамические силы сами по себе способствуют образованию вытянутой в горизонтальном направлении формы капли. Поэтому они должны способствовать образованию коронного разряда в горизонтальных электрических полях.

В грозовых облаках наблюдаются ледяные частицы продолгова­ тых форм — иглообразные, пластинчатые, дендритные — и хлопья, которые состоят из скрепленных между собой ледяных частиц. Когда такого рода ледяная частица располагается вдоль направле­ ния электрического поля, создаются условия для возникновения коронного разряда на ее концах. Согласно Чепмену [264], ток коронирования с линейного проводящего разрядника, представляющего

k = 2 • ІО-4 м2/(с • В) — подвижность ионов; £ 0 и Екр — соответственно напряженность внешнего поля и критическая напряженность.

Проверка, выполненная Каземиром [356] для металлизирован­ ных нитей диаметром 22 и 27 мкм и медных иголочек диаметром 50 и 75 мкм, дала удовлетворительное согласие с формулой. Для того чтобы иметь возможность использовать выражение (92) для ледяных частиц, необходимо знать значение критической напряжен­ ности зажигания коронного разряда для льда в зависимости от соотношения длины и толщины кристаллов. Кроме того, значение

247

Екр будет, по-видимому, зависеть и от электропроводности льда. К сожалению, непосредственные эксперименты с ледяными части­ цами отсутствуют. Некоторые косвенные суждения могут быть сделаны на основании исследований коронного разряда с острия из льда, выполненных Банделом [220].

Бандел исследовал коронный разряд с ледяного острия на метал­ лическую пластину, подобно тому как Инглиш [292] эксперименти­ ровал с «жидкими» остриями. Ледяное острие имело длину 30 мм и наименьший диаметр 1 мм. При этом принимались меры для того, чтобы поверхность льда была гладкой. Расстояние от конца острия до пластины, создающей поле, было постоянным — 80 мм. Измере­ ния критической напряженности зажигания и тока коронного раз­ ряда производились с остриями, изготовленными из дистиллирован­ ной и питьевой воды и платины, при температуре —78° С. Бандел

•обнаружил, что разряд возникает как при положительном, так и при отрицательном потенциале. Поскольку на концах острий, не­ смотря на принимавшиеся меры, вырастали маленькие кристаллики (возможно, образовывался иней в электрическом поле), нельзя было зафиксировать точное значение критической напряженности, при которой начинался разряд. Бандел пришел к выводу, что в пределах точности измерений критический потенциал зажигания коронного разряда с ледяного острия примерно такой же, как и с металлического. Бандел обнаружил зависимость тока короны от электропроводности льда. Ток с ледяного острия из дистиллиро­ ванной воды при потенциале 1,5-ІО6 В достигал 5 - ІО-12 А, ток с острия из питьевой воды составлял уже ІО-9 А, а с платинового острия — 10_6 А. При этом сопротивление ледяного острия из дистиллированной воды было порядка ІО14 Ом, а сопротивление острия из питьевой воды колебалось от 10й до 1013 Ом.

Подобные опыты были выполнены Рейнольдсом и др. [486] со льдом из дистиллированной воды и раствора NaCl ІО-4 М, удельное сопротивление которого было равно 104 Ом-м, тогда как сопротив­ ление льда из дистиллированной воды на 2—4 порядка выше. Эти авторы не обнаружили возникновения короны с острия из дистил­ лированной воды для потенциалов до 7- ІО5 В при расстоянии

В связи с малостью токов, которые могут возникнуть при корон­ ном разряде с ледяных частиц в грозовых облаках, Леб (см. в [257]) высказал соображения, что такие процессы не могут быть эффективными и не влияют на концентрацию ионов в атмосфере. Однако этот вывод не является достаточно обоснованным, так как вопрос о влиянии сопротивления льда на ток коронирования пока недостаточно исследован. В частности, отсутствуют сведения о влия­ нии на электропроводность льда примесей, которое, как это выте­ кает из сведений, приведенных Рейнольдсом и др. [486], весьма велико. Действительно, использование льда с электропроводностью

248

ІО-4 См/м привело к значительному снижению порога зажигания коронного разряда и появлению значительного тока коронирования. Отсутствуют также сведения о том, как влияет температура на электропроводность льда с примесями. Если судить по электропро­ водности чистого льда, то эта зависимость довольно заметная. Так, при температуре около 0Г'С электропроводность чистого льда ока­ зывается равной около 4- ІО-7 См/м, тогда как при —20° С она по­ нижается примерно до 2-10“Б См/м, т. е. изменяется на порядок.

Все рассуждения о токе коронирования обычно основываются па электропроводности массы льда, и совершенно упускается из, вида то обстоятельство, что электропроводность на поверхности льда значительно отличается от объемной вследствие образования на поверхности особого, квазижидкого слоя. К этому следует до­ бавить, что в естественных условиях в облаках при наличии пере­ охлажденных капель на поверхности льда происходит сублимация водяного пара. Молекулы воды, осевшие на поверхность льда, не­ которое время будут обладать несколько большей подвижностью, чем молекулы, закрепленные внутри льда. Кроме того, вследствие процессов самоочищения льда при кристаллизации воды на его по­ верхность выделятся ионы примесей, что также приведет к повы­ шению поверхностной проводимости льда по сравнению с объемной. Поэтому можно полагать, что в грозовых облаках может осущест­ вляться коронный разряд с ледяных частиц.

Подтверждением высказанных соображений могут служить ре­ зультаты опытов, выполненных В. М. Мучником и Ю. С. Рудькц в 1960 г. Если в холодильной камере в горизонтальном электриче­ ском поле замерзали капли на подвеске и при этом из их поверх­ ности вырастал «рог» примерно в направлении поля, то на каплях обнаруживался заряд, который увеличивался в течение нескольких секунд. На конце «рога» обнаруживались небольшие тонкие отростки льда тоже в направлении поля. В поле напряженностью 6 -ІО4 В/м образовывались заряды в пределах ІО“12—10~п Кл. Так как при замерзании температура льда близка к 0°С, то электро­ проводность льда должна быть высокой, и на конце «рога» мог возникнуть коронный разряд. Грубо приближенно можно положить, что ток короны стационарный. Тогда icp= q/t, где q — заряд капли, а t — время накопления заряда. Для <7= 3 - 10“11 Кл и t = 3 с полу­ чаем ;Ср«П0“и А.

Если при росте единичного «рога» на капле происходит ее заря­ жение в электрическом поле, то тем более интенсивное заряжение следует ожидать при росте инея на поверхности замерзшей капли. Но в случае роста инея на обоих полюсах и образования коронного разряда с обеих сторон частицы заряд, который будет накапли­ ваться на замерзшей капле, определяется разностью токов, текущих с обоих полюсов. В 1960 г. Мучник и Рудько поставили опыты с целью изучения этих явлений. В холодильную камеру, где нахо­ дилась на подвеске замерзшая капля в горизонтальном электриче­ ском поле напряженностью 6 -ІО4 В/м, вдувался влажный воздух. Температура в камере в течение опытов находилась в пределах

249.

от —25 до —30° С. Капли изготовлялись из дистиллированной воды, и их объемная электропроводность была, по-видимому, не очень высокой. Ледяные кристаллы, которые возникали в камере из водя­ ного пара, должны были иметь еще меньшую электропроводность. В то же время поверхностная электропроводность ледяных частиц должна быть высокой, так как в течение опыта происходили не­ прерывная сублимация водяного пара на их поверхности и образо­ вание квазижидкого слоя.

В одном из опытов примерно через 30 с после начала вдувания воздуха в камеру на замерзшей капле и на металлической прово­ лочке подвески появился слабый иней. Заряжение капли происхо­ дило сначала сравнительно медленно, а затем с большей скоростью. Приближенная оценка тока заряжения дала, например, для первой минуты 0,8 • ІО-13 А, а для четвертой 2 • 10-13 А. Безусловно, ток коронирования должен быть значительно большим, так как по­ лученные значения представляют собой разность токов положитель­ ной и отрицательной корон. Затем вдувание воздуха было прекра­ щено и измерения повторены. Скорость заряжения уменьшалась, по-видимому, вследствие того, что при отсутствии вдувания воздуха скорость сублимации водяного пара на ледяной поверхности умень­ шилась, а вместе с ней уменьшилась и поверхностная электропро­ водность льда. За первые 30 с ток заряжения составлял 1,5- ІО-13 А, а за третьи 30 с — уже 0,8-10~!3 А. В следующем опыте ток заряже­ ния был того же порядка, но положительный. Встречались случаи, когда в течение опыта происходила смена знака заряжения. Это подтверждает предположение о том, что заряжение капли проис­ ходило вследствие различий в токе положительной и отрицательной корон.

В некоторых опытах, кроме плавного нарастания заряда на капле, иногда наблюдалось скачкообразное изменение заряда. При­ чиной этих скачков следует считать обламывание веточек инея на поверхности замерзшей капли в электрическом поле. В одном слу­ чае заряд изменился на 10-1! Кл, а в другом — на 1,5- ІО-12 Кл. Для приближенной оценки заряда, который может унести веточка инея при отламывании от поверхности сферы, предположим, что она представляет собой половину эллипсоида вращения, укрепленного на сфере. Тогда можно для вычислений воспользоваться выраже­ нием (83), считая, что сфера не искажает однородное поле напря­ женностью Е0. Пусть обламывается веточка инея длиной 1 мм и толщиной0 ,2 мм; тогдаk — \ : 10, pz= 2 ,l • 10-2 и вполес£ 0= 6 - 104 В/м рп=8,2 • ІО“ 13 Кл. Таким образом, при обламывании веточки инея с поляризованной ледяной сферы в поле напряженностью около 5 *104 В/м на ней могут образоваться заряды порядка

10-12—ІО- 13 Кл.

В области мокрого роста в грозовых облаках должны существо­ вать крупные обводненные ледяные частицы (град, крупа), тол­ щина водяной пленки на их поверхности может достигать десятых долей миллиметра. Поскольку такие ледяные частицы нередко имеют коническую или вообще неправильную форму, можно ожи­

250