Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

До тех пор пока заряды противоположных знаков не будут разнесены в соответствующие области, можно приближенно считать, что их поля компенсируют друг друга. Поэтому дополнительные свобод­ ные заряды появляются в областях только после того, как восхо­ дящие токи перенесут положительно заряженные облачные ка­ пельки в верхнюю положительную область, т. е. время разделения зарядов равно

где и — скорость восходящих токов.

Таким образом, в течение времени х происходит электризация капель при разрушении в поле облака с Е0, а также за счет баллоэлектрического эффекта. При образовании крупных дожде­ вых капель должна происходить также электризация за счет по­

из этих механизмов электризации для оценки их значения в обра­ зовании электричества грозы.

Будем считать, что напряженность поля облака к моменту на­ чала процесса разрушения крупных капель £ 0=103 В/м (значение, характерное для мощных кучевых облаков). Тогда, если принять на основании экспериментальных данных (В. М. Мучник [122, 124]) <з= 1,3 - ІО-14 Кл-м/В, заряд, образующийся при разрушении капли, согласно (111), оказывается равным 13*10~12 Кл. За счет балло­ электрического эффекта при разрушении крупной капли может в среднем образоваться заряд около 1,6- ІО-12 Кл, во всяком случае не больше 3- ІО'12 Кл (см. раздел 3.1.7). Но при этом заряд круп­ ных фрагментов оказывается положительным, т. е. обратным за­ ряду нижней области, и может привести только к уменьшению напряженности поля в облаке.

Знак зарядов капель, образующихся за счет поглощения ионов и контакта, зависит от направления поля. Капля, падающая или поднимаемая восходящими токами, например, через отрицательно

положного знака. В результате должна произойти компенсация зарядов, получаемых от ионов. Такой же эффект будет иметь место и при контактной электризации в поле. Кроме того, как указы­ валось при рассмотрении схемы грозы Эльстера—Гейтеля—Сар- тора, электризация капель при контакте в вертикальном электри­ ческом поле должна быть вообще мала.

Для оценки электризации при падении крупной капли в среде монодисперсных облачных капелек будем следовать И. М. Имянитову и Е. В. Чубариной [73], которые выполнили эту задачу для слоисто-дождевых облаков. Заряд, приобретаемый каплей при ус­

290

где р äs 1; Ѵк — контактная разность потенциалов между каплей и облачной капелькой; R и г — соответственно радиусы капли и ка­ пельки; k — доля капелек, соударившихся с каплей без слияния; п — концентрация капелек; ик — конечная скорость падения капли. При этом скоростью падения капелек по сравнению со скоростью падения капель можно пренебречь.

Рассмотрим случай падения капли /? = 0,5 мм со скоростью мк= 4 м/с в среде капелек г= 10 мкм, концентрация которых при­ нимается сравнительно большой: п = 5 • ІО7 м-3. Примем, согласно [73], Ѵк= 0,1 В и k = 0,1. При скорости восходящих токов и = 8 м/с получаем, что время пребывания капель в пределах области диа­ метром 2Rc t = 2Rc/(u—ик), т. е. 2000/(8—4) =500 с. Подставив принятые значения в (120), получим q« 2 - 10-12 Кл. Таким образом, заряд, который может получить капля за счет контактной разности потенциалов, примерно на порядок меньше заряда, образующегося при разрушении капли в электрическом поле напряженностью ІО3 В/м, и его можно не учитывать. Следует, однако, заметить, что расчет выполнен для Ѵк= 0,1 В, тогда как в облаках над теплыми морями, где имеется большое количество гигантских ядер конден­ сации, возможно, Ѵк значительно превышает 0,1 В.

Из проведенного рассмотрения вытекает, что по истечении вре­ мени т с момента начала разрушения капель напряженность поля между заряженными областями будет увеличиваться от Е0 до Е«р. Поэтому для удобства начнем отсчет времени не с момента начала разрушения капель, а с момента, смещенного на время т, и поло­ жим tx= t0 = 0. Таким образом, для расчетов времени, требуемого для развития первого грозового разряда от момента разрушения капель до последующих разрядов, можно воспользоваться выра­ жением (118). Пусть интенсивность грозового ливня в области разрушения 72 мм/ч. Если критический объем капель окр=10-7 м3,

с I составляет около 5% от af, и этим членом можно пренебречь при вычислении А. Примем также, что площадь разрушения равна

можно считать, что примерно через 5 мин после начала образова­ ния крупных капель и их разрушения в восходящих токах можно ожидать возникновения разрядов в теплых кучево-дождевых обла­ ках. Такое значение времени представляется вполне реальным.

При возникновении коронного разряда в теплых грозовых об­ лаках произойдет нейтрализация части свободного заряда, накоп­ ленного в заряженных областях. В этом случае, в отличие от искрового разряда (обычная молния), не должно происходить

столь значительное разряжение областей, какое имеет место при искровом разряде в обычной грозе, так как ток тихого разряда меньше тока искрового разряда. Поэтому резонно предположить, что напряженность поля уменьшается не более чем на порядок, а возможно, только в 2—3 раза. Примем, что при неполном или частичном разряде за счет утечек возникает большое количество ионов, которые увеличивают проводимость облачного воздуха до А=10-12 См/м, тогда как за время между разрядами проводимость уменьшается до Ао=10-13 См/м. Поэтому будем считать, что про­ водимость растет с ростом поля и в грубом приближении

Для оценки а положим £ Кр = 6-105 В/м и £ 0 = 6-Ю 4 В/м. Так как А^>Ао, то а=1,85-10~18 См/В и А ~а (Е — Е0). Подставляем это

Подставив соответствующие значения в (123), получаем t = 24 с. Такое время между разрядами согласуется с данными наблюдений за вспышками в теплых грозах над морями (см. раздел 2.2.10).

При падении крупные капли увлекают за собой воздух, и возни­ кают нисходящие токи. Поэтому в ту часть облака, обычно ты­ ловую, где развиваются нисходящие токи, прекращается поступле­ ние водяного пара. Это приведет к уменьшению конденсации во­ дяного пара и выделения тепла конденсации, а следовательно, к уменьшению образования облачных капелек и интенсивности вос­ ходящих токов. В результате произойдет уменьшение, а затем и прекращение электрической активности грозового облака.

Развитая выше приближенная модель теплой грозы дает не­ которое основание утверждать, что над теплыми морями действи­ тельно возможно образование теплых гроз. Напомним, что возмож­ ность возникновения теплых гроз все еще вызывает возражения у некоторых исследователей. Исходя из этой модели можно счи­ тать, что в теплых грозах должна наблюдаться более высокая на­ пряженность поля, и поэтому при полете в них можно ожидать более интенсивное коронирование с самолета. Это указывает на то, что самолет при полете в теплых кучево-дождевых облаках, ве­ роятно, больше влияет на возникновение грозового разряда, чем при полете в облаках смешанного строения (И. М. Имянитов [63], Шонланд [206]). Поэтому необходимо считать, что полет в теплых

:292

грозовых облаках представляет большую опасность. Это следует учитывать в связи со значительным развитием полетов над морями и океанами субтропических и тропических широт. Следует отме­ тить, что в Советском Союзе также имеются районы, в которых возможно развитие теплых грозовых облаков. Это морское побе­ режье Крыма и Кавказа, где в июле и августе уровень изотермы 0° С может превышать 4 км. Там существуют условия для разви­ тия теплых кучево-дождевых облаков мощностью до 5 км, в кото­ рых возможны интенсивные электрические процессы.

4.14.2. Схема образования гроз умеренных широт

Модель грозы, развивающейся в кучево-дождевых облаках сме­ шанной структуры, должна быть значительно сложнее, чем модель теплой грозы. Это усложнение в первую очередь вызвано весьма большим числом механизмов электризации, в том числе и индук­ ционных, которые могут действовать в таких облаках. Необходимо ожидать значительно большую грозовую активность в смешанных облаках как из-за большей вертикальной протяженности, так и вследствие развития в них весьма сильных восходящих токов. Вы­ шеупомянутое может привести к заметному разнообразию в струк­ туре и электрической активности отдельных гроз. В результате этого чрезвычайно усложняются условия построения общей мо­ дели грозы.

Вкучево-дождевых облаках, кроме процессов электризации ка­ пель, которые имеют место в теплых грозовых облаках, возможны процессы электризации при замерзании переохлажденных капель

итаянии ледяных частиц, при разрушении ледяных частиц и при соударении ледяных и жидких частиц.

При построении модели грозы необходимо определить последо­ вательность и интенсивность различных механизмов электризации для того, чтобы оценить их значение и выяснить, какие из них и на какой стадии развития грозовых облаков являются основными. Повидимому, выполнить такую задачу можно только на основании представлений о развитии самих кучево-дождевых облаков. По­ этому будем рассматривать последовательные стадии развития ку­ чево-дождевых облаков, начиная с момента преобразования мощ­ ных кучевых облаков в кучево-дождевые, и механизмы электриза­ ции, которые могут проявляться на этих стадиях развития.

Вмощных кучевых облаках капельки переносятся вверх в вос­ ходящих струях воздуха. В струях, развивающихся в верхней части

облаков, скорость токов превышает 1 м/с. Облачные капельки ра­ диусом около 100 мкм уже не смогут опуститься вниз и будут на­ капливаться несколько ниже вершины. Такие капельки имеют шанс замерзнуть первыми, так как вероятность замерзания капли зависит от ее объема. Замерзание капелек сопровождается их растрескиванием и выбрасыванием осколков льда, которые яв­ ляются вторичными ядрами замерзания. Процесс выбрасывания

293

осколков сопровождается электризацией, причем, согласно Мей­ сону [116], заряд замерзающей капли можно определить на осно­ вании выражения

ных осколков меньше 10-2 м/с, то скорость разделения зарядов не будет превышать 10_1 м/с. Таким образом, для образования сво­ бодных зарядов, удаленных друг от друга по вертикали на 2 км, потребуется около 2- ІО4 с, т. е. больше 5 ч. За это время ледяные частицы будут вынесены восходящими токами за пределы облака. Поэтому процесс кристаллизации облачных капелек сам по себе не может привести к какому-либо заметному увеличению напряжен­ ности поля в облаках, особенно при существовании интенсивной турбулентности, которая наблюдается в кучево-дождевых облаках.

Вообще роль турбулентности в кучево-дождевых облаках прояв­ ляется двояким образом. С одной стороны, усиление турбулент­ ности приводит к увеличению частоты соударений мелких частиц, которые при этом электризуются, и, следовательно, к увеличению зарядов в облаке. Но, с другой стороны, усиление турбулентности при наличии частиц с зарядами разных знаков должно приводить к более быстрой их нейтрализации. Поэтому чем больше турбу­ лентность, тем быстрее будет наступать равновесное состояние в той части грозовых облаков, в которой в основном имеются частицы малых размеров. Такое состояние наблюдается в началь­ ной стадии преобразования мощных кучевых облаков в кучево­ дождевые и в вершинах развитых кучево-дождевых облаков. Необхо­ димо предположить, что свободный заряд в вершинах кучево-дож­ девых облаков образуется за счет зарядов, которые приносятся из центральных частей облака, а не в результате процессов электри­ зации облачных элементов — капелек и ледяных кристаллов. По­ этому в дальнейшем мы будем считать несущественным для по­ строения модели грозы рассмотрение процессов электризации облачных элементов самих по себе.

В верхней части мощного кучевого облака, где скорость вос­ ходящих токов около 1 м/с, существуют условия для накопления большого числа сравнительно крупных ледяных частиц. Укруп­ няясь, ледяные частицы приобретают большую скорость падения и превращаются в снежную крупу, а затем и в град. Скорость па­ дения снежной крупы радиусом R = 2,5 мм, плотностью 1,5X ХІО2 кг/м3 на уровне около 5 км равна примерно 5 м/с. Поэтому при электризации крупы разделение зарядов будет происходить до­ вольно быстро. Так как предполагается, что в развитых грозах максимальная скорость восходящих токов превышает, как правило, 20 м/с, то уровень со скоростями 5 м/с лежит значительно выше уровня с максимальными скоростями. По этой причине снежная крупа не может опускаться ниже уровня с максимальными ско­

294