Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

считает, что в пространстве между положительно и отрицательно за­ ряженными областями, где падают ледяные частицы, действует эф­ фект Вильсона, который приводит к усилению поля между этими областями. Так как заряды, образующиеся за счет коагуляции, при­ мерно на три порядка больше, чем заряды, образующиеся в резуль­ тате сублимации и испарения ледяных частиц, то основными цент­

наблюдается смесь положительно и отрицательно заряженных ка­ пель. Таким образом, на основании теории Финдейзена—Вихмана получалась правильная качественная картина распределения заря­

Повторение Крамером [115] опытов Финдейзена показало, что тела в потоке заряжаются отрицательно, а не положительно. В дальнейшем появилось значительное число других эксперимен­ тальных исследований, которые подтвердили вывод, сделанный Крамером. В частности, многочисленные исследования Лезема и Мейсона [380, 381] дали такие же результаты. Следовательно, схема грозы Финдейзена основана на неверных представлениях о меха­ низме электризации гидрометеоров в кучево-дождевых облаках.

4.7. СХЕМА МЕЙСОНА

Так как электризация, сопровождающая осаждение переохлаж­ денных капелек на поверхности льда, имеет сравнительно большую интенсивность, Мейсон [115], несмотря на критику теории грозы

267

Финдейзена, рассчитал заряды, образующиеся при росте крупы в грозовых облаках. При этом он исходил из данных наблюдений Кютнера [370], обнаружившего, что крупа является наиболее часто повторяющимся видом гидрометеоров в грозовых облаках, а также из данных Малана и Шонланда [422] о том, что в грозах Южной Африки отрицательно заряженная область распространяется до вы­

мается постоянным восходящим током со скоростью 10 м/с до не­ которой максимальной высоты, где скорость восходящих токов сравнивается со скоростью падения крупы. При падении крупа рас­ тет в области сухого роста, и ее электризация происходит за счет ко­ агуляции облачных частиц до момента наступления мокрого роста. Плотность крупы начиная с радиуса 100 мкм принимается постоян­ ной и равной 3 - 10-4 кг/м3. Скорость электризации берется равной 5* ІО-8 Кл/(м2-с) согласно данным Вейкмана и Кампе [565]. При этих условиях Мейсон получил, что в ячейке грозового облака ра­ диусом 2 км за время 11,5 мин вследствие электризации крупы ге­ нерируется заряд около 500 Кл, которого достаточно для возникно­ вения грозы средней интенсивности.

Анализируя полученные результаты, Мейсон указывает на то, что крупа радиусом 1 см и более не наблюдается. Поэтому он счи­ тает, что концентрация частиц крупы должна быть больше приня­ той ранее, а их радиусы не должны превышать 2,5 мм. Тогда об­ щий генерируемый заряд увеличивается примерно до 2700 Кл, что Мейсон считает завышенным. Заметим, что при этих вычислениях не была учтена потеря разделяющихся зарядов за счет проводи­ мости.

Учитывая такие факторы, как распределение крупы по разме­ рам, изменение скорости восходящих токов с высотой, ток утечки, обусловленный проводимостью воздуха и током с острий под гро­ зовым облаком, Мейсон [116] произвел новые расчеты скорости на­ копления зарядов и изменения напряженности электрического поля. Полная скорость образования зарядов между уровнями г0 и z в грозовом облаке в результате замерзания капелек на поверхности

меньших размеров при замерзании дают малое число ледяных оскол­ ков); Zq•— некоторый начальный уровень. Величина FD(z) представ­ ляет собой объем, «выметаемый» сухими градинами на уровне z за единицу времени:

(98)

о

268

Здесь RKq(z ) — критический радиус градины, при котором происхо­ дит ее увлажнение на уровне z; v(R, z) — скорость падения гра­ дины.

Плотность распределения градин по размерам в восходящем токе можно представить, согласно Атласу и Ладлему [215], следую­ щим образом:

В формуле (97) n{z) — плотность распределения переохлажден­

где n0— концентрация капелек на уровне z0\ u(z) — скорость вос­ ходящего потока на уровне г; F ( z ) — объем захвата капелек, от­ носящийся ко всему спектру града. Подставив значения из (98), (99) и (100) в (97), получим

20 мин генерировалось около 1000 Кл, полагает dQjdt—lk. Далее, полагая, что А = 107 м2 (средний радиус ячейки 3 км), <7d=l,3x ХЮ~15 Кл, определяя значения Fd и F по данным наблюдений Ат­ ласа и Ладлема [215] для грозы, у которой скорость восходящего тока задавалась выражением u(z)= 5(z —1) м/с (z измерялось в километрах), и принимая водность равной 3* 10—3 кг/м3, Мейсон получил на основании (101), что п0 = 5* 10е м_3. Он считает, что это значение вполне правдоподобно, так как, согласно измерениям, концентрации капелек с г>25 мкм до 5- 10е м_3 встречались в ку­ чево-дождевых облаках (Вейкман и Кампе [565]).

Мейсон [116] показал, что скорость нарастания напряженности электрического поля в результате макроразделения зарядов на градинах и ледяных осколках можно представить выражением

-Ж -+Р-§-=- ^ 2 ^W (tfK (/?)=- -ъ гЩ а Ш & іЖ

( 102)

где ß — коэффициент, пропорциональный току утечки за счет токов с острий под облаком и токов проводимости воздуха; р — интен­

сивность осадков; рі — средняя плотность ледяных частиц; ѵ и R — взвешенные средние скорости падения и радиуса градин соответ­ ственно.

269

Допуская, что интенсивность осадков быстро увеличивается во времени до максимального значения ртах, которое затем остается неизменным в течение нескольких минут, можно написать

(105), что Е через 10 мин достигнет значения 3,15ІО5 В/м и через 15 мин 6,4- ІО5 В/м. Если ячейка имеет радиус 2 км, то за 10 мин полный отрицательный заряд крупы достигнет 1120 Кл, который скомпенсируется на 1085 Кл объемным зарядом, создаваемым то­ ками проводимости и током с острий. Следовательно, в этом объеме будет находиться отрицательный заряд 35 Кл, который создаст поле напряженностью 3,15ІО5 В/м.

Мейсон далее предполагает, что через время т=1 /а напряжен­ ность поля достигает пробойного значения и при разряде нейтрали­ зуется большая часть заряда, так что напряженность поля практи­ чески уменьшается до нуля. Вследствие того что процесс отделения крупы от ледяных осколков продолжается, поле начинает восста­ навливаться. Скорость восстановления поля можно представить интегралом уравнения (104) в пределах от 0 до т:

270