ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 133
Скачиваний: 0
зарядов в принятых выше моделях грозовых облаков является электризация при соударении градин с каплями в электрическом поле [143, 451а].
Заряд, который образуется за единицу времени на градине ра диусом гг при соударениях с каплями радиусом гк, имеющими рас пределение по размерам п(гк), будет равен
|
rmax |
|
|
|
J n(rK)q K(rK)(vr- v K)drK, |
|
(127) |
|
гтІп |
|
|
где </к(гк) — заряд, |
который образуется при единичном соударении |
||
градины с каплей |
радиусом гк в поле с напряженностью Е\ |
rmin |
|
и /'шах — соответственно наименьший и наибольший |
радиусы |
ка |
|
пель; ѵти ик— конечная скорость падения градины |
и капли соот |
||
ветственно; t — время.
Учитывая, что согласно [130] заряд qK(ri<) пропорционален Е,
можно написать |
|
|
|
qK{rK) = a ( r K, гг)Е. |
(128) |
Тогда из (127) получаем |
|
|
|
dqv= A xr\EvTdt, |
(129) |
где |
|
|
|
гт ах |
|
А , |
j П(Гк) а (гкгг) (1 — g -) drK. |
|
r m In
Ввиду отсутствия достаточных сведений о спектре крупных ка пель в грозовых облаках будем считать, что он слабо меняется со временем, и тогда можно положить А\ = const. Но так как часть за ряда градины будет уноситься срывающимися с нее каплями, (129) примет следующий вид:
dqT= ( A xrlEvr—f q c) dt, |
(130) |
где f — частота срыва капель с градины; qc— заряд, уносимый каплей.
Таким образом будет происходить непрерывное перераспределе ние зарядов между каплями и градинами, и поле будет зависеть не только от зарядов градин, но и от зарядов, унесенных каплями. Можно считать, что
<7c=-g- qr- |
(131) |
Если предположить, что некоторая сфера радиусом R равно мерно заполнена градинами, радиус которых гк одинаковый, а кон центрация N постоянная, то с учетом (130) и (131) и утечки
299
зарядов за счет проводимости dQrJdt, заряд сферы за время dt окажется равным
= ( А , Е - А а<),) |
dt |
’ |
(132) |
|
|
||
где |
|
|
|
Л 2 = - 4 - k R 3N A хг \ ѵ г и А г = - ^ ~ . |
|
||
О |
|
Гр |
|
Если теперь еще учесть заряды QK сорвавшихся с градин капель, находящихся в пределах сферы радиусом R, то напряженность поля на ее границе будет равна
£ W 4(Qr+ Q K), |
(133) |
где
Л 4 = 1 / і ^ с р .
Поле внутри облачной сферы неоднородно, так как концентра ция капель не является постоянной по объему. Кроме того, вслед ствие большой турбулентности в грозовых облаках концентрация капель, а вместе с тем и поле должны претерпевать сильные флук туации, сведений о которых нет. Поэтому необходимо ввести ка кое-то упрощающее допущение относительно поля внутри сферы. Так как размеры сферы выбираются сравнительно небольшими (#=1000 м), примем напряженность поля внутри сферы одинако вой во всех точках и равной половине ее значения на границе сферы. В этом случае можно положить # Ср= ’/2#.
Для решения (133) необходимо знать значение QK. Оно, со гласно [143, 451а], может быть определено из уравнения
dQK |
— |
Q |
dQк). |
(134) |
|
dt |
dt |
||||
IV |
Ч!г |
|
|||
Поскольку можно считать, что токи утечки с капель и градин |
|||||
пропорциональны их суммарным зарядам, то |
|
||||
dQ„. |
|
dQ , |
|
(135) |
|
- ^ - = * Х эф<Эг и |
—^г-=тсХэф<Зк. |
||||
Кроме того, общий ток разрядки через сферу равен |
|
||||
dQ . |
dQ , |
|
ф Е . |
(136) |
|
- ^ + - ^ = - Я % |
|||||
Здесь Хэф — эффективная проводимость.
Учитывая (132), (134), (135) и (136), в результате преобразо ваний (133) получаем
сРЕ |
-В , |
dE |
В2Е = О, |
(137) |
dp |
dt |
300
где
В\ =2тсХЭф -|- А г— А 2А Л
и
В 2 = |
А 2А 3А 4 |
+ Л 4 (теу?2х9ф _ Аз) (Л з + |
«Хвф). |
Решение (137) |
имеет вид |
|
|
|
|
Je = C 1e“''+ C 2eM) |
(138) |
где осі и аг — корни уравнения a2+ B ia + B 2 = 0\ Сі и С2 — постоян ные, определяемые из начальных условий.
Используем уравнение (138) для оценки времени, необходимого
для возникновения |
очередного разряда. Для этого рассмотрим, |
|
в каких пределах |
изменяются основные параметры, |
входящие |
в уравнение (138). |
что верхний предел напряженности |
электри |
Можно полагать, |
||
ческого поля Et, необходимый для возникновения грозового раз ряда, (3-^6) • ІО5 В/м, тогда как послеразрядная напряженность поля Ео, которая является начальной для развития следующего разряда, находится в пределах (2ч-4) • ІО4 В/м. Проводимость в грозовых облаках велика, ее реальные пределы ІО-14—ІО-12 См/м. Размеры сферы не должны превышать размеры грозовой ячейки, но должны быть больше размеров отдельных неоднородностей, так что можно принять, что радиус сферы равен 1000 м. Данные о разме рах и концентрациях градин и частоте срывания капель с них вы бираются согласно грозовой и градовой моделям, рассмотренным в разделе 2.1.9. Наконец, предполагается, что радиусы капель, сры вающихся с градин, одинаковы: гк=1 мм.
Как следует из табл. 56, время, необходимое для возникновения очередного разряда в грозовой модели кучево-дождевых облаков, находится в пределах 100—300 с, если проводимость не превышает ІО-13 См/м. При значениях проводимости порядка 10-12 См/м меха низм электризации в сравнительно слабо развитых кучево-дожде вых облаках оказывается недостаточно эффективным для возникно вения грозовой деятельности. Полученные значения времени можно считать реальными для большинства сравнительно слабых гроз.
Для грозовой модели кучево-дождевых облаков со значительной интенсивностью осадков время между разрядами лежит в пределах 10—30 с. Эти значения характерны для интенсивных гроз. Здесь также наблюдается зависимость времени между разрядами от про водимости, однако она менее сильно выражена, чем для слабых гроз.
Анализ данных табл. 56 показывает, что полученные значения времени, необходимого для возникновения очередного разряда, имеют тот же порядок, что и наблюдаемые для гроз средней интен сивности и для весьма интенсивных гроз. Принимая на поверхности сферы # = 1000 м значение Екр= 6- ІО5 В/м, получаем, что в ней на капливается заряд около 70 Кл. Если теперь считать, что разряд в облаке имеет протяженность около 2 км, то электрический
301
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
56 |
|
Время (с), |
необходимое для увеличения напряженности поля от начального |
|
||||||
|
|
значения Е0 до предельного Et |
|
|
|
|||
|
S |
|
|
Е1, |
105 В/м |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
6 |
|
|
|
Тип модели |
S ' |
|
|
|
|
|
||
|
|
X, 10-ю См 'м |
|
|
|
|||
о |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
о |
Ю-'t |
Ю-з |
10-2 |
10-4 |
Ю-з |
10-2 |
|
|
СЦ |
|||||||
Грозовая |
2 |
178 |
249 |
— |
225 |
327 |
— |
|
|
4 |
131 |
187 |
178 |
249 |
|
||
Градовая |
2 |
15 |
16 |
24 |
19 |
21 |
31 |
|
|
4 |
11 |
12 |
18 |
15 |
16 |
24 |
|
момент оказывается |
равным |
140 |
Кл • км. |
Эти значения также |
со |
|||
ответствуют значениям, наблюдаемым в грозовых облаках. Таким образом, развитая выше схема позволяет получить приближенные
количественные значения |
основных |
электрических параметров |
|
грозовых облаков. Вместе |
с тем она |
отличается |
некоторыми ха |
рактерными чертами от |
приведенных |
в обзоре |
схем грозового |
электричества, и в первую очередь особенностями условий обра зования свободных зарядов в облаках.
В последнее время подобные взгляды на образование грозового электричества стали развивать Левин и Скотт [395а, 3956].
При разряде происходит нейтрализация свободных зарядов в грозовых облаках. Для того чтобы произошел очередной разряд, необходимо появление объемных зарядов, достаточных для образо вания критического поля разряда. Существуют различные мнения о том, каким образом осуществляется образование объемных заря дов. Так, Мейсон [115] считает, что в облаке постепенно накапли ваются большие, одинаковые по величине заряды обоих знаков, причем на больших частицах — заряды одного знака, а на мень ших— другого. После разряда в результате опускания больших ча стиц относительно меньших происходит разделение зарядов: внизу появляется свободный заряд одного знака, а вверху — противопо ложного. Другого мнения придерживается И. М. Имянитов [77]. Он считает, что в условиях больших концентраций частиц с зарядами противоположных знаков и интенсивной турбулентности будет про исходить быстрая нейтрализация зарядов. Кроме того, при непо средственных измерениях в Cu cong. [61] не было обнаружено на копление зарядов, на которое рассчитывал Мейсон [115]. Поэтому заряды обоих знаков могут существовать только при их непрерыв ной генерации. Именно этим объясняется необходимость больших скоростей образования зарядов в грозовых облаках. Точку зрения Имянитова следует считать более обоснованной и отвечающей при роде грозовых облаков, чем мнение Мейсона.
302
Если с этих позиций рассмотреть вопрос о механизмах электри зации гидрометеоров, то обнаруживается, что все механизмы, кото рые приводят к постепенному накоплению зарядов на гидрометео рах, малоэффективны. При всех этих механизмах для образования больших зарядов гидрометеоров, наблюдаемых в естественных условиях, требуется время, в лучшем случае сопоставимое с вре менем релаксации. Поэтому большие скорости образования заря дов могут быть объяснены только существованием механизмов электризации практически мгновенного действия. К таким меха низмам принадлежат все механизмы электризации при соударении и разрушении крупных гидрометеоров в электрическом поле. Именно такой механизм электризации и является основой схемы грозы, разработанной автором книги.
Все рассмотренные выше схемы грозового электричества, за ис ключением схем Имянитова и автора, основываются на том, что разделение зарядов осуществляется в восходящих токах. Только схема Имянитова качественно оценивает разделение зарядов гидро метеоров в нисходящих токах. В схеме автора все расчеты образо вания зарядов в грозовых облаках проведены для нисходящих то ков, т. е. для условий, более соответствующих реальным.
Вполне естественно, что и схема грозы автора не может претен довать на завершенность, так как о ряде параметров грозовых об лаков либо почти совсем ничего неизвестно, либо известно сравни тельно мало. Поэтому по мере появления новых результатов на блюдений схему следует соответствующим образом корректировать. В частности, сейчас еще нет достаточных оснований для более стро гой оценки вклада в электричество грозовых облаков таких меха низмов, как электризация при спонтанном разрушении капель, при срывании капель с тающих градин и т. п. Остается надеяться, что в дальнейшем осуществятся необходимые исследования.
$ *
*
Из проведенного обзора современного состояния теории грозо вого электричества можно заключить, что работа по ее созданию не только не ослабевает, но все более усиливается. Такое положение обусловливается как возросшими возможностями в исследованиях грозовых облаков и их моделировании, так и практической важ ностью создания теории грозы. Только при условии создания до стоверной теории грозового электричества можно будет решить та кие насущные вопросы, как прогноз грозы, воздействие на грозовые облака, увеличение безопасности полетов в грозовых условиях и т. п.