Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Глава 4

ТЕОРИИ ГРОЗОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Со времени установления электрической природы грозы было предложено огромное количество ее теорий. Для объяснения воз­ никновения грозового электричества использовались, можно ска­ зать без преувеличений, все механизмы электризации, когда-либо открытые человечеством. Достаточно было появиться сообщению о каком-либо новом механизме электризации тел, как его тотчас же привлекали в качестве основного механизма образования гро­ зового электричества. Так было с трибоэлектричеством, термо­ электричеством, фотоэлектрическим эффектом и т. д. и т. д. Рас­ смотрение всех гипотез представляет, безусловно, очень большой интерес, в особенности для истории науки, но оно потребовало бы слишком много места, и поэтому мы ограничимся только тео­ риями, основывающимися на рассмотренных в главе 3 механизмах электризации, которые могут иметь место в грозовых облаках. Такую работу необходимо выполнить для того, чтобы выяснить, какая теория наиболее правильно описывает образование грозо­ вого электричества. При рассмотрении теории грозы обнаружи­ вается любопытная тенденция, заключающаяся в том, что боль­

действовать несколько механизмов электризации, особенно в раз­ ных частях облаков и на разных стадиях их развития.

Лишь в последнее время стала очевидной ограниченность по­ добного подхода к рассмотрению процессов, протекающих в грозах. Так, Сартор [164] пишет по этому поводу: «Можно допустить, что механизмы, предложенные Бруком, Мейсоном и Воннегутом, иг­

один из этих механизмов является главной причиной электриза­ ции грозового облака (как это подразумевается каждым из этих авторов). Вероятно, в облаках имеются области, в которых каж­ дый из предложенных механизмов является основной причиной электризации. Однако если рассматривать грозовое облако в це­ лом, то целесообразно рассмотреть, каким образом все перечислен­ ные процессы могут действовать: совместно или последовательно

252

всвязи с микро- и макродвижениями в облаке, чтобы обеспечить необходимую электризацию в реальных условиях. Такой подход более эффективен, чем поиски главного механизма электризации».

При обозрении теорий грозового электричества обнаруживается также, что почти все авторы рассматривают кучево-дождевые об­ лака только как арену, на которой разыгрываются электрические процессы. В результате исчезает взаимосвязь и взаимообусловлен­ ность процессов образования и развития грозового облака н элект­ рических процессов в них. Представление о том, что грозовые об­ лака являются системой с обратной связью, в которой изменения физических параметров гидрометеоров (концентрации, размеров, фазового состояния) вызывают изменения электрических пара­ метров (зарядов и электрического поля) и наоборот, достаточно определенно было высказано В. М. Мучником [136] на Всесоюз­ ном научном совещании по активным воздействиям на градовые процессы в Тбилиси в 1962 г. И. М. Имянитов и В. Я- Никандров [71] на Конференции по физике облаков и активным воздействиям

вМоскве в 1965 г. изложили свое мнение о том, что «электричество облаков может быть и следствием, и причиной их фазовых и струк­ турных преобразований».

Приступая к обзору теорий грозового электричества, необходимо иметь четкое представление о том, каким главным требованиям они должны удовлетворять. Эти требования вырабатывались на осно­ вании сведений о характеристиках грозовых облаков и изменялись по мере углубления наших знаний. Мейсон [115] первым составил такой перечень и в дальнейшем корректировал его [116]:

1.Средняя продолжительность осадков и электрической актив­ ности отдельной грозовой ячейки составляет около 30 мин.

2.Средний электрический момент, разряжаемый молнией, со­ ставляет примерно 100 Кл-км, а соответствующий заряд равен 20—30 Кл. В типичной грозовой ячейке интервалы между отдель­ ными грозовыми разрядами составляют около 20 с, что дает сред­ ний ток молнии порядка 1 А.

3.Величина заряда, разделяемого непосредственно после грозо­ вого разряда за счет скорости падения элементов осадков, имеет

воздуха в метрах в секунду) и составляет около 1000 Кл.

4.В кучево-дождевом облаке большой мощности этот заряд генерируется и разделяется в объеме около 50 км3, имеющем сред­ ний радиус около 2 км и ограниченном уровнями изотерм 0 и —40° С.

5.Центр отрицательного заряда расположен вблизи изотермы —5° С, а основной положительный заряд сосредоточен на несколько километров выше; вблизи основания облака существует также до­ полнительный положительный заряд с центром вблизи уровня изотермы 0° С или немного ниже.

6.Процессы образования и разделения зарядов тесно связаны

споявлением осадков, особенно крупы. Частицы осадков должны

253

иметь возможность падать, преодолевая восходящие токи со ско­ ростью несколько метров в секунду.

7. Чтобы обеспечить возникновение первого удара молнии че рез 12—20 мин после появления частиц осадков с размером, об­ наруживаемым радиолокатором, должно произойти образование и разделение достаточно большого заряда.

Чалмерс [196] указывает на то, что критерии грозы Мейсона основываются на средних параметрах грозовых облаков и что тео­ рия должна удовлетворять требованиям, вытекающим из сведений об интенсивных грозах, в частности чтобы токи молнии достигали 100 кА, а частота молний — 10 в минуту. Это означает, что скорость накопления зарядов в мощных грозовых облаках должна превы­ шать таковую для средних грозовых облаков примерно на два по­ рядка.

В свою очередь Воркмен [23] считает, что теория грозового элект­ ричества должна удовлетворять следующим требованиям, которые в какой-то степени дополняют критерии, развитые Мейсоном и Чалмерсом:

1.Развивается сильно заряженная, относительно компактная область отрицательного заряда.

2.Почти вертикальный диполь ограничен снизу уровнем изо­

термы 0°С или близкой к ней, а сверху — вершиной облака.

3. Образуемое количество зарядов превышает требуемое для поддержания молний во много раз (возможно, с коэффициентом

100или выше).

4.Между центрами отрицательного и положительного зарядов

существует область разделения с суммарным зарядом, близким

кнулю.

5.Осадки, падающие через область отрицательного заряда, не переносят его на землю.

6.Электрическое поле у поверхности земли нарастает во вре­ мени по квазиэкспоненциальному закону.

7.Возникновение осадков, развитие заряженных областей и появление молний происходят в определенном порядке.

Таким образом, среди большинства ученых господствует представление, что при развитии грозы первичным является обра­ зование осадков в кучево-дождевых облаках, а вторичным —

образование зарядов и заряженных областей. Однако необходимо отметить, что существует и диаметрально противоположная точка зрения, базирующаяся на том, что многие требования, на которые указывают Мейсон, Чалмерс и Воркмен, полностью не выполняются. По мнению Воннегута [22], несоответствия этим требованиям за­ ключаются в следующем:

1. Имеется слабая корреляция между интенсивностью или ха­ рактером осадков и электризацией, оцениваемой по частоте уда­ ров молнии (Ганн [327]).

2. Измерения тока осадков у поверхности земли показывают, что обычно этот ток слишком мал и имеет обратную полярность по сравнению с той, которая необходима для электризации. Из ра­

254

бот Смита [526] и др. следует, что токи осадков являются следст­ вием, а не причиной электризации облака.

3.Если бы осадки, несущие заряд, были причиной электризации

вгрозах, можно было бы, по крайней мере, иногда наблюдать удар молнии из области осадков под облаком. Однако об этом никогда не сообщалось.

4.Если электризация облака вызывается падением осадков внутри облака, то ток проводимости из ионосферы к верхней части облака должен противодействовать этой электризации. Так как проводимость свободной атмосферы возрастает с высотой,

осадков. Поэтому следует ожидать, что интенсивные конвективные движения в грозах будут противодействовать упорядоченному разделению зарядов при выпадении осадков. Однако это не на­ блюдается. Наоборот, конвекция скорее усиливает процессы электризации, чем противостоит им.

Очевидно, для выяснения правильной позиции необходимо рас­ смотреть возражения Воннегута, что будет выполнено в том же порядке:

1. Ганн [327] указывает не столько на слабую корреляцию между интенсивностью осадков и грозовой активностью, сколько на то, что между ними нет простой связи. Кроме того, он утверж­ дает, что быструю регенерацию и рост напряженности электри­ ческого поля, сопровождаемые разрядами молнии большой частоты, вряд ли следует ожидать, если интенсивность осадков не превысит некоторого определенного значения. Так что ссылка на Ганна не имеет оснований. Кроме того, непосредственные наблюде­ ния за частотой разрядов и интенсивностью дождя выявляют су­ ществование между ними некоторого параллелизма (Н. С. Шиш­ кин [202], Парчевский [462]).

2.Ток осадков у поверхности земли сильно зависит от условий,

вкоторых они падают ниже уровня изотермы 0°С, т. е. ниже

центра отрицательной области. Эти условия приводят к нейтрали­ зации и переразрядке капель осадков, поэтому величина тока и его полярность не имеют простой связи с электризацией капель в облаке. Из работ Смита [526] и др. можно сделать вывод только о некоторой роли процессов соударения капель с поверхностью земли в образовании объемных зарядов в приземных слоях воз­ духа, а не о том, являются ли токи осадков причиной или следст­ вием электризации облаков. Более того, согласно данным о заря­ дах капель внутри облаков (см. раздел 2.2.1), токи осадков в них велики.

3. Для возникновения грозового разряда в жидкокапельной об­ ласти осадков необходимы поля с критической напряженностью,

255

превышающей соответствующие значения Для области с кристалли­ ческими гидрометеорами, поэтому разряд в части облака с от­ рицательными температурами наступает раньше, чем он может произойти под облаком при положительных температурах. Дей­

4. Проводимость воздуха в грозовых облаках значительно выше, чем в окружающей облако атмосфере, по крайней мере на высотах до 8—10 км. Несмотря на большие токи проводимости внутри гро­ зовых облаков, интенсивность генерации и разделения зарядов в них столь велика, что образуются отдельные заряженные области и электрические поля с напряженностью, достаточной для возникно­ вения разрядов. С увеличением высоты грозовых облаков интен­ сивность генерации и разделения зарядов в них увеличивается

вдостаточной степени для перекрытия токов утечек.

5.Воннегут упускает из рассмотрения существование твердых гидрометеоров (градин), скорость падения которых может быть больше любой скорости конвективных токов. Поэтому не следует ожидать, что конвективные токи будут противодействовать упоря­ доченному разделению зарядов при выпадении осадков. Более того,

можно полагать, что наличие конвективных токов способствует об­ разованию заряженных областей в грозовых облаках, что действи­ тельно имеет место.

Из рассмотренного выше следует, что возражения Воннегута недостаточно обоснованы.

Анализ требований к теории грозы, выработанных Мейсоном, Чалмерсом и Воркменом, и современных сведений о строении и электрической структуре кучево-дождевых облаков (см. главу 2) дает возможность более четко сформулировать основные свой­ ства грозовых облаков, которым должна удовлетворять теория грозы:

1.Средняя продолжительность осадков и электрической актив­ ности отдельного грозового облака 30—40 мин.

2.Средний электрический момент, нейтрализуемый при грозо­

вом разряде, около 100 Кл*км, а максимальный — порядка 500 Кл-км. В канале молнии нейтрализуется в среднем 20—30 Кл,

ав интенсивных грозах — до 100 Кл.

3.Частота разрядов в умеренной грозе около 1 в 1 мин, а в ин­ тенсивной грозе до 5—10 в 1 мин.

4.Средняя плотность объемных зарядов от 3-10~9 до ЗХ

симальная (Зн-4) • ІО5 В/м.

6. Эффективная проводимость внутри активных гроз 10~12 —

10-и См/м.

7. Основные процессы разделения электрических зарядов про­ текают в области мокрого роста гидрометеоров, в основном вблизи уровня изотермы 0° С.

256