Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

8. Вертикальная мощность облаков, как правило, превышает 5 км и может достигать 15—18 км. В облаке обязательно наличие крупы или града.

Начнем обозрение теорий грозового электричества со схемы Эльстера и Гейтеля, не потерявшей интереса до сих пор, особенно в связи с попытками Сартора возродить эту теорию на основании современных сведений о процессах в кучево-дождевых облаках.

4.1. СХЕМА ЭЛЬСТЕРА И ГЕЙТЕЛЯ

Эльстер и Гейтель [290] обратили внимание на то, что капли обла­ ков и осадков поляризуются под действием электрического поля атмосферы. Они предположили, что при соударении дождевой капли с облачной капелькой последняя скользит по поверхности первой и отрывается в ее верхней части. В нормальном электриче­

дождевых капель происходит разделение зарядов, и облако стано­ вится биполярным: верхняя часть заряжена отрицательно, ниж­ няя — положительно. Осадки должны иметь преимущественно по­ ложительные заряды. Эльстер и Гейтель не делали различий между механизмами электризации в облаках слоистых форм и в грозовых облаках. Надо отметить, что схема разделения зарядов Эльстера и Гейтеля должна приводить не к усилению поля, а к его ослаб­ лению.

В дальнейшем Эльстер и Гейтель [291] пытались усовершенство­ вать свою теорию. Они учли, что крупные капли при падении сплющиваются, и предположили, что при соударении с облачными капельками последние будут от них отражаться. Кроме того, Эль­ стер и Гейтель распространили область электризации на ледяные

В результате в нормальном электрическом поле верхняя часть об­ лака должна получить положительный заряд, а нижняя и осадки — отрицательный.

Теория грозы Эльстера и Гейтеля подвергалась многократной критике в первую очередь из-за несоответствия между знаком за­ рядов осадков и направлением поля. Согласно этим авторам, между знаками зарядов дождя и электрического поля должна существо­ вать следующая связь: знак зарядов дождя должен быть таким же, как и знак поля у поверхности земли. Наблюдения показали, что часто обнаруживается как раз обратная связь между знаками зарядов осадков и электрического поля, так называемый зеркаль­ ный эффект. Однако основное возражение против их теории заклю­ чается в том, что при соударении капли с облачными капельками будет происходить их коагуляция, а не кратковременный контакт. Из экспериментов Готта [314] следует, что при падении крупной

капли через среду облачных капелек в электрическом поле заря­ жение ее вследствие индукции не происходит.

Сартор, учитывая критику теории Эльстера и Гейтеля, обратил особое внимание на то, что вероятность слияния капель при со­ ударении не равна единице и что возможно разделение зарядов без прикосновения частиц друг к другу. Механизм разделения за­

где щ и iij —• концентрация капель соответственно в г-том и /-том интервалах размеров, причем /> /; /у- и /у — радиусы меньших н больших капель соответственно; гу и ty — конечные скорости паде­ ния капель; е ц — коэффициент эффективности разделения частиц, т. е. доля капель, приобретающих в процессе контакта заряд, кото­ рый, согласно (84), равен 4леоуг2.і: при условии, что линия, соеди­

няющая центры капель, совпадает с направлением поля. Так как значение у не очень сильно зависит от соотношения размеров і'-той

частиц, для которых использовались распределения по размерам, наблюдаемые в активных грозах. При этом для капель было выб­

ции при соударении сравнительно невелика. Результаты вычисле­ ний показали, что в грозовых дождях за счет контактов капель скорость заряжения единичного объема составляет 3 - 10-10 І\л/м3Х Хс), т. е. имеет тот же порядок, что и скорость заряжения, кото­ рая требуется для грозового облака. Еще большая (на один-два порядка) скорость заряжения получается в случае контакта ле­ дяных частиц. Скорость заряжения настолько велика, что, даже если проводимость в облаках ІО-12 См/м, начальное поле может увеличиться на два порядка.

На основании этих расчетов Сартор приходит к выводу, что процессы индукционного заряжения гидрометеоров при контакте играют в грозовых облаках не меньшую, а иногда и большую роль, чем любые другие возможные механизмы электризации в них. Не­ обходимо отметить, что значительно раньше Сартора Мюллер-Гил- лебрандт [452], исходя из расчетов разделения зарядов при кон­ такте ледяной крупы и кристаллов в электрическом поле, пришел к выводу, что такие процессы могут обусловливать образование грозы.

Мейсон [116], однако, считает, что процессы электризации за счет контакта в электрическом поле не могут быть источником значительных зарядов. На основании своих опытов он пришел

258

к выводу, что при полях напряженностью больше ІО3 В/м капли обязательно коагулируют и механизм Эльстера—Гентеля—Сартора перестанет работать в грозовых облаках задолго до достижения критической напряженности поля. Шансы вступить в кратковре­ менный контакт имеют только те капельки, которые приходят в ка­ сательное соударение, а не в лобовое или близкое к нему. Но при касательном соударении наиболее вероятно скольжение капельки с последующим отрыванием в районе электрического экватора капли, причем в верхней ее части. В вертикальном электрическом поле нормального направления, например, заряды капель будут положительными и могут привести только к ослаблению поля, и, кроме того, заряды на каплях при их разделении в районе элек­ трического экватора, где поле, индуцированное на самой капле, мало, вообще должны быть небольшими. Такое представление в какой-то степени подтверждается результатами опытов Мантгомери и Доусона [446] с крупными каплями почти одинаковых раз­ меров. Они получили, что при разрыве контакта капли всегда полу­ чают заряды, которые могут привести только к ослаблению поля.

Как указывает Сартор [164], значительно большая скорость индукционной электризации единичного объема с ледяными части­ цами (примерно на два порядка) по сравнению с каплями обус­ ловливается большими размерами ледяных частиц и значительно большим коэффициентом эффективности разделения частиц: 0,9. Но уже Лезем и Мейсон [380] показали, что при соударении проб­ ного ледяного тела с ледяными кристаллами в электрическом поле напряженностью ІО5 В/м происходит изменение электризации всего на 10% по сравнению с электризацией без электрического поля. Как было показано в разделе 3.2.2, причиной этого являются осо­ бенности движения ледяных кристаллов по отношению к пробному телу в электрическом поле (а не малое время контакта, как пола­ гают Лезем и Мейсон [382]). Поэтому результаты эксперименталь­ ных исследований электризации [380, 382] правильно оценивают интенсивность электризации при соударении крупной ледяной частицы, допустим сферы (градина, крупа), с ледяными кристал­ лами в электрическом поле: интенсивность электризации невелика.

Теперь необходимо рассмотреть электризацию при соударении сравнительно крупных ледяных частиц в электрическом поле. Как показали В. А. Дячук и В. М. Мучник [46], электризация таких частиц происходит в полном согласии с теорией, что на первый взгляд является аргументом в пользу представлений Сартора. При соударении ледяных частиц полное отражение от поверхности бу­ дет иметь место, по-видимому, только при лобовых или близких

кним соударениях. При тангенциальных соударениях появляется

вдополнение к отражению скольжение, в результате чего в вер­ тикальном электрическом поле такие ледяные частицы будут от­ рываться около экватора и заряды будут весьма малыми. Поэтому весьма важным является вопрос о том, при каких углах соударе­ ния появляется тангенциальная составляющая, благодаря которой меньшая частица начинает скользить вдоль поверхности большей

частицы. Такие экспериментальные данные, к сожалению, отсут­ ствуют. Некоторое представление об этом можно составить на осно­ вании экспериментов В. М. Мучника [131] по электризации при соударении металлических шаров и капель воды в вертикальном электрическом поле. Как следует из табл. 54, уже при углах около 30° при относительных скоростях соударения шаров и капель больше 4 м/с происходит изменение знака электризации вследствие скольжения капель по поверхности шара. При этом капли только смачивают поверхность градин. На критическое значение угла, при котором возникает скольжение капель вдоль поверхности шара,

углах, допустим 45°. Это приводит к тому, что вероятность лобо­ вых и скользящих соударении становится примерно одинаковой.

Необходимо еще определить, не изменяется ли при скользящих соударениях знак электризации на обратный по отношению к ло­ бовым соударениям, как это имеет место при соударении капель и шаров. Если учесть, что при падении твердой частицы в ее тыло­ вой части воздух разряжается, то малые частицы при скользящих соударениях после прохождения экватора должны засасываться в тыловую часть крупной частицы и там отрываться от нее. Таким образом, скорость заряжения единичного объема при падении ле­ дяных частиц в вертикальном электрическом поле должна быть значительно меньше, чем вычисленная Сартором.

При соударении ледяных частиц в горизонтальном электриче­ ском поле также нельзя ожидать макроразделения электрических зарядов, хотя микроразделение будет иметь место. Можно считать, что вероятность соударения положительной и отрицательной полу­ сфер падающей ледяной сферы с мелкими частицами одинаковая. Поэтому при большом числе соударений заряд сферы равен нулю, а число положительно и отрицательно заряженных ледяных частиц окажется примерно одинаковым. Так что макроразделение зарядов не произойдет и облако, в горизонтальном электрическом поле ко­ торого будут происходить такие процессы, останется в целом ней­ тральным.

Из рассмотрения схемы грозы Эльстера—Гейтеля—Сартора можно сделать вывод, что описанные механизмы электризации сами по себе недостаточно эффективны для создания необходимого ко­ личества электричества, наблюдаемого в грозах. Однако при разра­ ботке теории грозового электричества необходимо учесть электри­ зацию при контакте в электрическом поле в первую очередь твер­ дых частиц.

4.2. СХЕМА СИМПСОНА

Симпсон [518] положил в основу своей схемы грозы механизм электризации при дроблении дождевых капель. Он принял, что в кучево-дождевых облаках ниже уровня изотермы 0°С существует

260