Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

ростями и не может быть ответственной за образование там заря­ дов. Только градины при своем росте могут приобрести скорость падения, большую любой скорости восходящих токов, опуститься ниже уровня максимальных скоростей и обеспечить там образо­ вание зарядов. Если в облаке образуются даже сравнительно не­

18 м/с, что может обеспечить требуемую скорость разделения за­ рядов.

Рассмотрим возможные механизмы электризации снежной крупы и оценим их роль в образовании электрического поля грозы. При падении снежная крупа соударяется с переохлажденными облачными капельками и ледяными кристаллами. Так как эти процессы происходят при температуре ниже —10° С, то переохлаж­ денные капельки будут в основном намерзать на поверхности

в районе электрического экватора, если рассматривать ее поляри­ зацию в вертикальном электрическом поле. Только сравнительно крупные частицы имеют шансы отражаться без скольжения. Сле­ довательно, электризация крупы может происходить за счет вы­ броса осколков при намерзании переохлажденных капелек и при соударении с ледяными частицами. Для расчета заряжения крупы воспользуемся формулой (120) в следующем виде:

где q — заряд, образующийся при замерзании капельки на поверх­

торых возможно существование крупы), то используем уравнение dt=dz/(uc— U r ) . Тогда

где г — высота, uc(z) — скорость восходящих токов.

Для решения уравнения (126) воспользуемся моделями кучево­ дождевых облаков, рассмотренными выше (в главе 2) при расчете роста крупы и града при падении. Так как под п понимается кон­ центрация капелек с г ^ 2 5 мкм, т. е. таких капелек, которые при замерзании на крупе растрескиваются с выбросом осколков, то, согласно Мейсону [116], будем считать, что п = 5-106 м_3. Исходя из того, что радиусы капелек лежат в пределах 25—100 мкм, а раз­ меры крупы превышают 0,5 мм, получаем, что Кз слабо меняется и лежит в пределах 0,92—0,97. Следовательно, можно пользоваться

■средним значением К 3 — 0,94. Кроме того, вряд ли при замерзании капельки образуется 10 осколков, как это полагает Мейсон; более

295

правильным является предположение, что число осколков равно 1—2 (см. раздел 1.6.4). Поэтому для расчетов примем значение, равное 2. Расчет электризации по уравнению (126) с учетом за­ висимостей u0{z), R{z), Ur [/?(z)] был проведен на ЭВМ М-220 [143]. Результаты расчета для грозовой и градовой моделей при­ ведены на рис. 73.

1,5-ІО4 В/м.

Для градовой модели максимальный заряд крупы, по Мейсону, равен 3,7 • 10-ш Кл, а средний 7 • 10-11 Кл. В такой модели проводи­ мость воздуха может, по-видимому, достигать ІО-12 См/м, так что время релаксации (100—200 с) значительно меньше времени накоп­ ления заряда на крупе. Для столь проводящей среды механизм электризации Мейсона—Лезема малоинтенсивен. Если принять, что интенсивность осадков (града и дождя) в градовой модели состав­ ляет 300 мм/ч, то средняя концентрация ледяных частиц в облаке сухого роста равна приблизительно 2 м_3. Тогда на границе сферы радиусом 500 м напряженность поля не будет превышать 2,5X ХІО3 В/м.

Рассмотрим теперь образование зарядов на крупе при ее кон­

296

и Е. В. Чубариной [73], что при контакте лед—вода разность потен­

ные частицы на крупе почти не оседают. Расчеты можно проводить по той же формуле (126), но с указанными выше константами. Если

зовой модели облака на нижней границе области сухого роста для каждого из этих механизмов электризации равен 7-10_п Кл, а средний 2,6-ІО-11 Кл и соответственно в градовой 2,3 • 10-10 и 4,3X Х10-11 Кл. Так что величина зарядов, которые могут образоваться за счет электризации при соударении частиц, примерно такая же, как и за счет вырывания осколков. Поэтому на границе области сухого роста за счет электризации крупы нельзя ожидать образо­ вания полей с напряженностями, превышающими (2н-3) • ІО4 В/м. Если же допустить, что для льда Ѵк= 0,1 В, то тогда можно полу­ чить значения зарядов, на порядок большие, чем приведенные выше. Таким образом, напряженность поля на границе между об­ ластями сухого и мокрого роста может достичь критического зна­ чения. Вместе с тем должны резко увеличиться проводимость в об­ лаке и токи утечки. Так что если грозовые разряды и возникнут, то гроза будет малоинтенсивной, частота разрядов должна быть небольшой. Возможно, что именно так развиваются зимние грозы, в которых наблюдается весьма большая концентрация ледяной крупы.

Роль зарядов крупы должна, вообще говоря, ограничиваться со­ зданием поля вблизи границы области сухого роста, так как ниже этой границы механизмы электризации проявляются иным образом. Вследствие большой проводимости облачного воздуха эти заряды не могут длительно сохраняться на крупе и должны нейтрализо­ ваться несколько ниже границы области сухого роста.

В области мокрого роста может действовать механизм заряже­ ния, заключающийся в контакте облачных капель с поверхностью смоченных градин, т. е. контакт вода—лед. Поэтому расчеты за­ ряжения могут быть выполнены по формуле (126) с константами, принятыми выше, и Кк=0,1 В. Результаты этих расчетов для гро­ зовой и градовой моделей приведены на рис. 74. Согласно рисунку, для грозовой модели максимальный заряд градин на уровне изо­ термы 0°С равен 4* 10_п Кл, а для градовой 1,5- 10_э Кл. Средние заряды градин в сферах радиусом 1000 м, расположенных над уровнем изотермы 0°С, равны примерно 2 - 10-11 и 1,1 • ІО-9 Кл со­ ответственно. Для принятых выше значений интенсивности осадков для грозовой и градовой моделей средние концентрации градин в сферах составляют около 5 и 0,2 м_3 соответственно. Следова­ тельно, на границе сферы напряженность поля для грозовой модели примерно 4- ІО3 В/м, а для градовой — около 1,2 • 104 В/м.

При вычислении напряженности поля, создаваемого в ре­ зультате действия контактного механизма электризации, не

297

учитывалась высокая проводимость в грозовых облаках. Если при­ нять, что в области мокрого роста проводимость порядка 10~13См/м, то вычисленные значения следует уменьшить по крайней мере в 3 раза. Вместе с тем возможно, что контактная разность потен­ циалов значительно выше — может быть, даже на целый порядок. Поэтому можно полагать, что напряженность поля, создаваемого

зации, увеличивая число заряженных капель в облаке, не будет значительно влиять на скорость роста напряженности поля.

Существуют два вида спонтанного разрушения капель — гантеле- и грибообразное. Заряд, образующийся при гантелеобразном разрушении, мал по сравнению с зарядом, образующимся при гри­ бообразном разрушении. Насколько можно судить по данным раз­ ных авторов, частота грибообразного разрушения капель мала по сравнению с частотой гантелеобразного разрушения. Поэтому об­ щий заряд, который может образоваться в результате этого меха­ низма электризации, будет небольшим по сравнению с зарядом, об­ разующимся благодаря механизму электризации при соударении градин с каплями в электрическом поле. Необходимо еще учесть, что скорость разделения зарядов при спонтанном разрушении ка­ пель в несколько раз меньше, чем при соударении градин с кап­ лями. Поэтому можно полагать, что скорость генерации зарядов незначительно изменится за счет механизма электризации при спон­ танном разрушении капель в электрическом поле.

Рассмотрим изменение поля, начиная с какой-то начальной на­ пряженности Ео\ допустим, что основным механизмом генерации

298