Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

частях облака и их подъем вверх. В сильных полях сердцевина ледя­ ных частиц характеризуется большей концентрацией ионов, чем их внешняя оболочка. Но возможно одновременное образование и рост ледяных частиц при опускании сверху вниз. Тогда сердцевина ле­ дяной частицы будет иметь меньшую концентрацию ионов, чем пе­ риферия, и при обламывании веточек инея последние должны заря­ жаться отрицательно, а сама частица — положительно. Ледяные отрицательно заряженные осколки будут подниматься восходящими токами вверх в положительно заряженную область, а положитель­ ные частицы — опускаться вниз в отрицательную область. Такой процесс может привести только к ослаблению поля и прекращению грозовой деятельности. Заметим, что Рейтер не исключает такой возможности, когда заряды не усиливают поле, а ослабляют его.

Согласно схеме Рейтера, следует ожидать, что в грозовых осад­ ках должны наблюдаться наибольшие концентрации окислов азота. Между тем уже Р. Рейтер и М. Рейтер [484] обнаружили, что наи­ большей концентрацией характеризуется ливневый снег. Ваймейстер [553] указывает, что вообще отсутствует связь между грозовой деятельностью и содержанием окислов азота в осадках, если отно­ сить их содержание не к общему количеству выпавших осадков, а к единице объема. Из теории Рейтера следует, что должны су­ ществовать грозы из облаков, полностью находящихся при отрица­ тельных температурах, поскольку основной механизм электризации проявляется при обламывании ледяных кристаллов. Однако наблю­ дения не подтверждают этого вывода: грозы образуются только в тех облаках, нижняя часть которых находится при положитель­ ных температурах.

4.10. СХЕМА РЕЙНОЛЬДСА

Как уже указывалось выше, критика теории Воркмена—Рей­ нольдса заставила ее авторов отказаться от представления, что электризация при замерзании воды на градинах в области «мок­ рого» роста является основным механизмом образования электри­ чества в грозовых облаках. Рейнольдс [486] предпринял попытку видоизменить теорию, введя представление об электризации при трущемся контакте между крупой и ледяными кристаллами. При падении крупа соударяется с переохлажденными каплями, выде­ ляется тепло кристаллизации и повышается ее температура относи­ тельно температуры окружающего воздуха. Ледяные частицы растут вследствие сублимации и поэтому нагреваются в меньшей степени. В результате крупа оказывается теплее ледяных кристал­ лов. При их соударении, согласно экспериментальным данным, крупа должна получать отрицательный заряд, а ледяные кри­ сталлы—положительный. Крупа, растущая за счет переохлажден­ ных капелек, которые образовались на ядрах конденсации, со­ держит значительно больше примесей, чем ледяные кристаллы, рост которых обусловливается сублимацией водяного пара. В ре­

276

зультате различий в концентрациях примесей при соударении

дов, в результате которого вверху образуется положительно за­ ряженная область, а внизу — отрицательно заряженная область.

Наблюдения за концентрацией солей в осадках в Нью-Мексико (США) показали, что процесс электризации, обусловленный раз­ личиями в концентрации солей, играет второстепенную роль в об­ разовании грозового электричества по сравнению с процессами электризации, вызванными разностью температур. Рейнольдс и др. [486] с точностью до одного порядка оценили количество электри­ чества, протекающего в грозовом разряде, исходя из предполага­ емого ими механизма электризации. При падении крупы радиусом 2 мм в среде ледяных кристаллов радиусом 50 мкм и с концентра­ цией ІО4 м-3 следует ожидать, что достигается плотность заряда не меньше 1,6-ІО-6 Кл/кг. Тогда для получения заряда 20 Кл не­ обходимо, чтобы грозовая ячейка имела диаметр около 1,3 км, что близко к данным наблюдений.

Схема грозы Рейнольдса вызывает ряд возражений. Как указы­ вают Мейсон [116], Брук [17] и Чалмерс [196], между эксперимен­ тальными данными Рейнольдса и др. [486], с одной стороны, и Лезема и Мейсона [380, 382] — с другой, существует расхождение на четыре порядка, которое не получило еще окончательного объясне­ ния. Во всяком случае, величина заряда при одном контакте в 1,6Х Х10-13 Кл, принятая Рейнольдсом и др. [486], по-видимому, значи­ тельно завышена, тем более что это значение получено для замет­ ной разности между температурой пробного тела и температурой ледяных кристаллов, которую нельзя ожидать при соударении крупы с ледяными кристаллами в облаках. Рейнольдс исходит из соображения, что крупа при падении теплее, чем ледяные кристаллы, что в действительности не должно иметь места. При падении ледя­ ных кристаллов радиусом 30 мкм и более коагуляция с переохлаж­ денными капельками наряду с сублимацией играет значительную роль в их росте. Вероятность захвата капелек крупными частицами пропорциональна квадрату их радиуса. Вместе с тем повышение температуры этих частиц за счет тепла капелек должно быть об­ ратно пропорционально массе частиц, т. е. кубу их радиусов. Сле­ довательно, повышение температуры частиц за счет тепла кри­ сталлизации переохлажденных капелек должно быть обратно пропорционально радиусу этих частиц, т. е. частицы больших раз­ меров должны меньше нагреваться, чем частицы малых разме­ ров. Этот эффект будет усиливаться за счет вентиляции частиц при падении, так как интенсивность теплообмена частицы с окру­ жающим воздухом будет увеличиваться с увеличением коэффи­ циента вентиляции, который приблизительно пропорционален ра­ диусу частицы.

277

4.11. СХЕМА ГРЕНЕ—ВОННЕГУТА

Грене создал теорию грозового электричества, которая была развита Воннегутом [558]. Грене считает, что легкие ионы, посту­ пающие в кучевое облако с восходящими токами и имеющие про­ должительность жизни около 5 с, оседают на облачных капельках. Вследствие этого проводимость в облаке уменьшается по сравне­ нию с проводимостью свободной атмосферы и в облаке накапли­ вается заряд. Под действием поля этого заряда происходит подтя­ гивание зарядов противоположного знака, которые оседают на облачных капельках на границе облака. Так образуется компен­ сирующий заряд на границе облака.

В дни с развитием кучевых облаков в приземных слоях ат­ мосферы существует, как правило, избыток положительных ионов и облака приобретают положительный заряд (рис. 70 а). В ре­ зультате роста облака и развития нисходящих токов на его пе­ риферии происходит усиление положительного заряда внутри об­ лака, а отрицательный заряд накапливается в его внешних частях (рис. 70 6). Дальнейший рост облака приводит к увеличению за­ рядов, положительного в центральной части и отрицательного в нижней и средней периферийных частях (рис. 70в). Усиление электрического поля под периферийными частями облака приводит к возникновению коронного разряда с остроконечных тел на по­ верхности земли. Положительные ионы коронного разряда будут переноситься восходящими токами внутрь облака, что вызовет быстрое увеличение положительного заряда внутри облака и зна­ чительный рост напряженности электрического поля. Усиление электрического поля приведет к заметному увеличению скорости коагуляции капель и образованию дождя (рис. 70s). К этому вре-

278

мени напряженность электрического поля достигает пробойных зна­ чений, и возникает грозовой разряд.

Воннегут и Мур [559] считают, что грозовые разряды создают особенно благоприятные условия для коагуляции, поэтому сущест­ вует связь между разрядами молнии и усилением осадков, наблю­ даемых у земли. Это усиление дождя должно происходить после разряда через некоторое время, необходимое для достижения круп­ ными каплями поверхности земли.

Воннегут и его коллеги выполнили большое число исследова­ ний, задачей которых было получить подтверждение правильности описанной выше теории грозового электричества и в первую оче­ редь подтверждение того, что первичным в грозовых облаках яв­ ляется накопление зарядов, а вторичным — образование осадков.

Воннегут и Мур [558] создавали в приземных слоях атмосферы искусственный объемный заряд с помощью тонкой проволоки, к ко­ торой подавался высокий потенциал (до 30 кВ). Длина проволоки около 7 км, подвешивалась проволока на высоте 10 м. Существо­ вание дополнительного объемного заряда прослеживалось по край­ ней мере на расстоянии 8 км от проволоки с подветренной сто­ роны. Изменение знака потенциала проволоки приводило к соот­ ветственному изменению градиента потенциала в атмосфере. Вон­ негут и др. [562] провели ряд наблюдений с самолета за кучевыми облаками, которые развивались с подветренной стороны от источ­

тельного объемного заряда у поверхности земли кучевое облако почти полностью имело заряды того же знака. Только на пери­ ферии облака в нижней его половине образовался экранирующий положительный заряд. При перемене знака заряда, создаваемого проволокой, происходило соответствующее изменение знаков заря­ дов в облаке.

На основе измерений отражаемости от грозовых облаков с помощью чувствительного трехсантиметрового радиолокатора Мур и др. [448] пришли к выводу, что для возникновения первого удара молнии не требуется значительная интенсивность осадков и что после грозового разряда отражаемость резко возрастает. Че­ рез некоторое время (примерно 1 мин) после разряда у поверх­ ности земли интенсивность дождя достигает 70 мм/ч и больше. На этом основании сделан вывод, что осадки являются не причиной грозовых разрядов, а, скорее, их следствием. При анализе рас­ сматриваемых данных наблюдений необходимо обратить внимание на то, что использовались вертикальные разрезы. В таком случае вследствие движения очагов ливней очень трудно произвести радио­ локационный разрез через то же самое сечение облака. Ввиду боль­ шой неоднородности грозовых облаков это может привести к весьма неопределенным результатам. Из снимков, приведенных Муром и др. [448], следует, что за 10—20 с происходит не только рост радио­ эхо в одних частях радиолокационного обзора, но и их быстрый

279