Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

распад в других частях, а этот факт с позиций автора [448] уже не имеет достаточно убедительного объяснения.

Многие авторы отмечают усиление осадков после грозовых раз­ рядов, например Росман [491] и др. Возможно, что причиной та­ кой связи, как указал В. М. Мучник, является не что иное, как приближение к месту наблюдения грозовой ячейки через несколько минут после разряда. Во всяком случае статистическая обработка данных о колебаниях площади осадков отдельного грозового очага показала, что колебания имеют другую частоту, чем грозовые раз­

скорости коагуляции частиц в грозовых облаках и скорости опуска­ ния нижней границы радиоэхо (порядка 50 м/с).

Так как основным источником зарядов по теории Грене—Вонне­ гута является ток сострий, рассмотрим этот вопрос несколько под­ робней. Согласно рис. 70, положительные заряды, создаваемые то­ ком с острпй под периферийными частями облака, должны уно­ ситься восходящими токами к центральным частям облака, где они поднимаются вверх. Но при своем движении заряды должны пересекать область интенсивного дождя, в которой они в боль­ шинстве будут захвачены каплями — известный механизм переза­ рядки капель, наблюдаемый под грозовыми облаками, приводящий к возникновению «зеркального» эффекта [521]. Так что у поло­ жительных ионов мало шансов достигнуть центральной части об­ лака, тем более что вместе с ливневым дождем развиваются нис­ ходящие токи.

4.12. СХЕМА МАК-КРИДИ

Основываясь на материалах измерений распределения зарядов гидрометеоров по высоте в сильно электризованных облаках и грозах во Флагстаффе (США), Мак-Криди [111] пришел к выводу об особой роли электризации при таянии градин в образовании электричества грозовых облаков. В результате измерений МакКриди и Праудфит [405] получили, что в конвективных облаках во Флагстаффе твердые гидрометеоры выше уровня изотермы 0° С имеют преимущественно положительные заряды. Механизм элект­ ризации, обусловливающий образование таких зарядов, не рассмат­ ривается. Однако предполагается, что отрицательные заряды, ко­ торые образуются в результате этого механизма электризации, каким-то образом «выветриваются» из вершины облака в окружаю­ щее пространство. При опускании твердых гидрометеоров и их таянии или увлажнении происходит изменение знака зарядов иа от­ рицательный. Положительные заряды, которые поступают в воз­ дух при таянии гидрометеоров, будут переноситься восходящими токами вверх, что приведет к увеличению заряда положительно за­ ряженной области. Так как полеты производились в полностью переохлажденных облаках, у которых нижняя граница располага­

280

лась выше уровня изотермы 0° С, авторы [405] считают, что изме­ нение знаков зарядов при падении твердых гидрометеоров проис­ ходит целиком за счет таяния, поскольку их соударение с облач­ ными элементами исключается. Таким образом, согласно МакКриди, положительно заряженная область в грозовых облаках должна размещаться непосредственно над уровнем изотермы 0°С, а отрицательно заряженная область — несколько ниже этого уровня.

Как отмечает Мак-Криди, его схема еще не закончена, тем бо­ лее, что в некоторых случаях наблюдавшееся распределение заря­ дов не укладывалось в эту схему. Кроме того, существует несо­ ответствие между результатами лабораторных экспериментов (см. раздел 3.1.10) и полевых наблюдений. Согласно большинству лабо­ раторных экспериментов, лед заряжается при таянии положительно, а не отрицательно, как этого требует разрабатываемая схема. Только Мак-Криди [404] получил, что при таянии ледяных частиц в аэродинамической трубе на них появляются отрицательные за­ ряды. По-видимому, требуются специальные полеты с целью иссле­ дования концентрации солей в градинах, так как они влияют на знак зарядов, образующихся при таянии льда.

Можно указать на весьма мощный механизм электризации, ко­ торый должен действовать ниже уровня изотермы 0° С в слое ин­ тенсивного таяния; он объясняет наблюдаемое распределение заря­ дов. В этом слое должно существовать сильное электрическое поле положительного направления, обусловленное положительными заря­ дами твердых гидрометеоров над уровнем изотермы 0°С. Вследствие таяния ниже уровня изотермы 0°С должны находиться сравни­ тельно крупные капли, с которыми соударяются твердые гидро­ метеоры. При отражении фрагментов капель от нижней части твердых гидрометеоров в положительном электрическом поле послед­ ние должны получать отрицательные заряды в согласии с дан­ ными наблюдений Мак-Криди и Праудфита [405]. При этом для по­ лучения зарядов ІО-9 Кл достаточно соударения градины с каплей радиусом около 3 мм в поле напряженностью порядка 5 - ІО4 В/м (см. раздел 3.2.3). С таких позиций можно объяснить и те несо­ ответствия в распределении зарядов с высотой, на которые ука­ зывали авторы [405].

Не находят объяснения и исключительно большие отрицатель­

ном из полетов на уровне, располагавшемся примерно на 1200 м ниже уровня изотермы 0° С, при температуре около 12° С. Из дан­ ных лабораторных экспериментов Динджера [280], а также МакКриди и Праудфита [406] со льдом из дождевой и снеговой воды и градинами следует, что при таянии должен образовываться за­ ряд плотностью не более 1• ІО-7 Кл/кг. Поэтому для получения заряда 10-9 Кл потребовалось бы таяние огромной градины весом до 10-2 кг, тогда как наблюдения были выполнены при падении градин умеренных размеров.

281

4.13. СХЕМА ИМЯНИТОВА

И. М. Имянитов [74, 344] считает, что заряды в грозовых об­ лаках образуются за счет контактного механизма электризации при соударении частиц — жидких с жидкими, жидких с твердыми, твер­ дых с твердыми — и при частичном срывании воды, намерзаю­ щей на поверхности твердой частицы. Он указывает, что процесс образования основных зарядов в кучево-дождевых и слоистых об­ лаках один и тот же, но только в первых не достигаются стацио­ нарные условия. Имянитовым была разработана модель развития грозового облака (рис. 71), основанная на современных представ­ лениях о динамике кучево-дождевых облаков и их электрической структуре.

Разделение зарядов и формирование заряженных областей в грозовых облаках обусловлены действием гравитационных сил и восходящих токов. Когда капли настолько укрупняются, что скорость их падения превышает скорость восходящих токов, они пе­ ремещаются вниз, перенося с собой положительные заряды. Остаю­ щийся объемный заряд переносится восходящими токами вверх. В дальнейшем центр нижнего положительного заряда продолжает с осадками опускаться вниз, а вслед за ним опускается вниз и центр отрицательного заряда. В то же время благодаря токам про­ водимости формируется положительный заряд в верхней кристал­ лической части облака. Генерация зарядов сопровождается их дис­ сипацией за счет проводимости, под которой подразумевается сумма электрической проводимости и «турбулентной», т. е. вызван­ ной нейтрализацией объемных зарядов при перемешивании струями объемов с противоположно заряженными частицами. Потери вслед­ ствие турбулентной проводимости возрастают в областях образо­ вания зарядов, где концентрация частиц и турбулентность наи­ большие. Вместе с тем турбулентность приводит к появлению зна­ чительных неоднородностей объемных зарядов. В таких неоднород­ ностях напряженность электрических полей легче может достигать критических значений, необходимых для инициирования грозовых разрядов.

•282

В результате вычислений было получено, что в среднем верхний положительный заряд изменяется от 2 до 38 Кл, тогда как нижний отрицательный от 1,2 до 37 Кл. Средний верхний положительный заряд оказался равным 19 Кл, а нижний отрицательный — 17 Кл. Их центры находились в среднем на высотах 6,6 и 5,1 км соответст­ венно.

Схема грозы Имяиитова представляет значительный интерес, так как при ее построении сделана попытка возможно полнее учесть современные представления о высокой проводимости в гро­ зовых облаках, существование неоднородностей и т. п. Но эта схема не лишена н определенных недостатков. Так, не объяснено отсутствие влияния индустриальных загрязнений на грозовую деятельность, которое должно сильно проявляться в случае, если бы основным был контактный механизм электризации. Кроме того, эта теория еще не достаточно развита количественно.

*

Из обзора схем образования грозового электричества, при­ веденных выше, можно заключить, что еще и сейчас отсутствует теория, способная в достаточно полной мере описать развитие грозы. Причин такого положения, по-видимому, много, поэтому для построения сравнительно завершенной теории грозы необходимо по­ лучить более достоверные и надежные сведения об основных ха­ рактеристиках грозовых облаков и их изменениях во времени и пространстве. Поэтому сейчас можно ставить задачу только о соз­ дании идеализированной схемы, способной объяснить главные черты грозы. Для этого необходимо указать на основные недостатки рас­ смотренных выше схем грозового электричества. Таких основных недостатков два: использование для развития схем грозы сравни­ тельно мало эффективных механизмов электризации и весьма при­ митивных моделей кучево-дождевых облаков.

Из выполненного в главе 3 анализа различных механизмовэлектризации, а также из рассмотрения, осуществленного Имянитовым [77], вытекает, что одними из наиболее интенсивных яв­ ляются механизмы электризации при разрушении капель в электри­ ческом поле, в особенности при их соударении с ледяными части­ цами. Начиная с 1952 г. автор настоящей работы предпринял ряд. попыток создать схему образования грозового электричества, бази­ рующуюся на механизмах электризации при разрушении капель- в электрическом поле [122, 125, 126, 133, 451]. На основании этих

в кучево-дождевых облаках, как теплых, так и смешанного строения.

28а

4.14. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ АВТОРА

При рассмотрении процессов образования осадков в кучево­ дождевых облаках обращает на себя внимание тот факт, что на определенной стадии развития облаков возникает сильное элект­ рическое поле; следовательно, должно существовать его влияние как на электризацию гидрометеоров, так и на условия их роста. На этом основании можно сделать вывод, что невозможно по­ строить теорию грозового электричества, не учитывая существова­ ния взаимной связи между ростом и электризацией гидрометеоров

вкучево-дождевых облаках.

Вразвитых мощных кучевых облаках даже при условии обра­ зования значительной переохлажденной части наблюдаются срав­ нительно небольшие электрические поля, средняя напряженность которых порядка (0,5 1) • Ю3 В/м, а максимальная обычно не пре­ вышает ІО4 В/м в отдельных небольших объемах. Объемные за­ ряды обоих знаков распределены по всему облаку таким образом, что суммарный заряд в верхней половине облака положительный, а в нижней — отрицательный. Вследствие того, что облако пересе­ кается значительным числом конвективных струй, хаотически рас­

пределенных внутри облака, и из-за сравнительно малых различий в размерах капель (отсутствуют крупные капли) макроразделение зарядов и создание заряженных областей большой плотности в мощных кучевых облаках не происходят. В развитых мощных кучевых облаках сравнительно быстро устанавливается стационар­ ное состояние, при котором образование зарядов компенсируется их диссипацией.

Описанные условия господствуют в мощных кучевых облаках, развивающихся над сушей, и, по-видимому, именно поэтому нет каких-либо достоверных сведений об образовании «теплых» гроз над сушей. Иное положение существует над теплыми морями, где ■благодаря высокой влажности, большому количеству гигантских ядер конденсации и высокому уровню изотермы 0° С в мощных кучевых облаках могут развиваться интенсивные восходящие токи, ■охватывающие все облако. Тогда в них появляются условия для образования крупных капель и электрических процессов с обратной связью. Такие процессы могут происходить в капелы-ю-жидких ■облаках только благодаря механизму электризации при контакте и разрушении капель в электрическом поле.

4.14.1. Схема образования теплых гроз

При падении крупной капли в среде облачных капелек возмо­ жен ее кратковременный контакт с капельками, сопровождаемый их отражением от нижней части капли или скольжением и отрыва­ нием их в верхней части капли. Но во втором случае капли заря­ жаются в вертикальном электрическом поле зарядами таких зна­ ков, которые при разделении внутри облака могут привести только

284

к ослаблению поля. Следовательно, применительно к внутренней части облаков представляет некоторый интерес случай с отраже­ нием капелек от нижней части крупной капли. Если же соударения капель с облачными капельками будут происходить в восходящих токах не между заряженными областями в облаке, а ниже центра области, расположенной внизу облака, то рассмотренные механизмы электризации поменяются ролями. К усилению поля будут при­

ряженные капельки вверх, в верхнюю положительно заряженную область, а крупные отрицательно заряженные капли будут удержи­ ваться в нижней области или выпадут из облака. Так как сейчас

щественным в облаках, приходится сделать вывод, что заряды, об­ разующиеся за счет этих механизмов, должны в значительной сте­ пени скомпенснроваться. Необходимо еще иметь в виду возражения относительно возможности контакта капелек с каплей без слияния в поле напряженностью более ІО3 В/м. Поэтому надо полагать, что эти механизмы электризации вряд ли вносят основной вклад в ба­ ланс зарядов теплой грозы.

Рассмотрим теперь возможную роль электризации при разру­ шении крупных капель при падении в восходящих токах. На уровне с максимальной скоростью восходящих токов создаются условия для особенно интенсивного роста капли. Ниже этого уровня, где скорости недостаточно велики для поддержания капли, рост ее продолжается, но с меньшей интенсивностью. Так что капли, пре­ одолевшие уровень с максимальными скоростями, должны быть наибольшими и в нижней части облака должны иметь максималь­ ные размеры. Если капли достигнут состояния неустойчивости, по­ следует их разрушение в электрическом поле, направленном вверх. Тогда крупные фрагменты получают отрицательные заряды, а мель­ чайшая водяная пыль, легкие и тяжелые ионы — положительные. В восходящих токах происходит макроразделение зарядов, причем крупные фрагменты поднимаются в отрицательную область, а водя­ ная пыль, легкие и тяжелые ноны вместе с облачными капельками, на которые они вскоре осядут, поднимаются выше, в положительно заряженную область. Каждый акт разрушения капель приводит к увеличению зарядов основных областей в облаке. Поэтому каж­ дый следующий подобный акт происходит в более сильном электри­ ческом поле, что приводит к более интенсивной электризации фраг­ ментов. Следовательно, должен иметь место процесс нарастания электрического поля с положительной обратной связью (В. М. Муч­ ник [125, 126, 133]).

Из экспериментальных данных известно, что крупная капля (ра­ диусом 2,5—3 мм) разрушается на 10—20 капель радиусом около 0,5 мм. Эти капли, будучи подняты восходящими токами вверх, имеют значительно больше шансов вырасти до предельных размеров и снова принять участие в спонтанном разрушении. Происходит

285