Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

Глава 5

ПРОБЛЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ГРОЗОВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Одной из важнейших практических задач физики атмосферы наряду с воздействиями на облака с целью борьбы с градом и для регулирования осадков, наряду с рассеянием туманов и низких' об­ лаков является воздействие на кучево-дождевые облака для пре­ дупреждения или прекращения грозовой деятельности. Воздействия на грозу можно подразделить на две категории:

1) воздействия непосредственно на электрические характери­ стики кучево-дождевого облака с целью искусственного разряже­ ния заряженных областей и уменьшения напряженности поля; ■

2) воздействия на микро- и макрофизические характеристики кучево-дождевого облака, которые должны привести к изменению процессов электризации и прекращению грозовой деятельности.

5.1. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОЗОВЫХ ОБЛАКОВ

Одно из первых заслуживающих упоминания предложений по воздействию на грозовое электричество принадлежит Воркмену и Рейнольдсу [584]. Исходя из своей теории грозового электричества, согласно которой электрические заряды образуются при частичном замерзании дождевых капель, представляющих собой слабые ра­ створы солей, на поверхности градин, они предложили изменять концентрацию солей в дождевой воде. Так как величина и знак за­ рядов сильно зависят от концентрации и состава солей, Воркмен и Рейнольдс считают вполне достаточным сбрасывать в кучево-дож­ девое облако 250 кг солей аммония, которые настолько изменят электризацию, что разделение зарядов не сможет обеспечить обра­ зование электрического поля, необходимого для разрядов. В даль­ нейшем Воркмен [582] уточнил эти расчеты и указал на то, что наиболее убедительным результатом воздействия явилось бы изме­ нение характеристик грозового облака, а не уменьшение грозовой деятельности.

По мнению Воркмена [582], для воздействия на кучево-дождевое облако, содержащее ІО8 кг воды, требуется около 1000 молей для получения концентрации реагента 10-5 М. Наиболее действенным

304

реагентом он считает безводный аммиак, около 20 кг которого необходимо для получения концентрации ІО-5 М. При такой кон­ центрации должно произойти ослабление электризации и грозовой деятельности. Если желательна перемена полярности облака, то необходимо достигнуть концентрации ІО-4 М, т. е. в облако следует сбросить около 200 кг безводного аммиака.

Воркмен и Рейнольдс [584] предприняли попытку эксперимен­ тально проверить свои представления. При полетах в Нью-Мексико они сбрасывали в грозовые облака раздробленные соли аммония. Результаты всего двух опытов не позволили сделать вывод об успешности этих опытов, однако они вселили уверенность в пра­ вильности избранного авторами пути. Поэтому Воркмен и Рей­ нольдс поставили перед собой задачу выполнить большое количе­ ство подобных опытов, что дало бы возможность оценить эффек­ тивность воздействия. Но в дальнейшем сообщения о таких опытах больше не поступали. Причина этого заключается, возможно, в том, что Рейнольдс изменил свою точку зрения на природу грозового электричества в результате обоснованной критики. В частности, указывалось, что грозовые облака при их развитии над индустри­ альными районами подвергаются интенсивному воздействию посто­ ронних примесей. Однако грозовая деятельность над такими райо­ нами не претерпевает заметных изменений по сравнению с грозовой деятельностью в районах с аналогичным климатом, но без инду­ стриальных загрязнений атмосферы.

К представлению о возможности воздействия на генерацию электричества в кучево-дождевых облаках с помощью тех или иных примесей пришли также Л. Г. Качурин и др. [82]. Они основыва­ ются на своих опытах, из которых следует, что даже небольшие из­ менения в концентрациях кислот и оснований, приводящие к изме­ нениям pH растворов, оказывают сильное влияние на интенсивность электризации капель, разрушающихся при замерзании. Однако Ка­ чурин м его коллеги не приводят никаких сведений о типе реаген­ тов и их расходах, требующихся для получения положительного эффекта в естественных условиях.

Интересный метод воздействия на грозу, получивший дальней­ шее развитие в работах Каземира и Вейкмана [357, 564], предложен Вейкманом [563а]. Он исходит из представления, что молния начи­ нается с коронного разряда на частицах осадков. Если воздейство­ вать на поле кучево-дождевого облака таким образом, чтобы раз­ рядить облако и понизить напряженность до значения, при котором не сможет возникнуть коронный разряд, то тем самым будет ис­ ключена вероятность инициирования грозовых разрядов. В качестве разрядников, уменьшающих напряженность электрического поля облака, Вейкман предлагает металлизированные мякину или ней­ лоновые нити.

Каземир и Вейкман [357] выдвигают три условия, необходимые для успешного воздействия на грозовые облака:

1) коронный разряд на металлизированных нитях (линейных разрядниках) должен происходить при напряженности электриче­

ского поля более низкой, чем напряженность, необходимая для возникновения грозовых разрядов;

2)суммарный ток для коронного разряда с линейных разряд­ ников должен быть того же порядка или предпочтительно больше тока, рассеиваемого молниями;

3)линейные разрядники должны быть внесены в соответствую­ щее место и в соответствующее время в грозовое облако.

Все эти три условия были ими рассмотрены.

Каземир и Вейкман [357] вычислили увеличение напряженности поля на концах линейного разрядника, представляемого в виде тонкого вытянутого эллипсоида вращения. Они получили весьма простую приближенную формулу

где с и а — соответственно большая и меньшая полуоси эллипсоида, причем с/а = £; Е0 и Е — соответственно напряженность внешнего поля и на концах линейного разрядника.

Если считать, так же как авторы [357], что для разряда в облаке необходима напряженность 3-10е В/м, то для нитей мякины с с =

(139) имеет слишком приближенный характер и зависимость Е от k представлена слишком грубо. Действительно, на основании лабо­ раторных исследований зависимости критической напряженности коронного разряда от k, выполненных Каземиром [357], оказыва­

(139). Кроме того, обнаруживается, что зависимость от k является не линейной, а более сложной. Это подтверждается результатами лабораторных исследований В. М. Мучника и др. [138] с металли­

происходит уменьшение критической напряженности Екѵ от 6,2 • ІО5 до 1,5-ІО5 В/м. Так что при увеличении k более чем в 10 раз Екр уменьшается примерно в 4 раза. Поэтому необходимо найти

Как известно, для возникновения разряда необходимо, чтобы электроны получили ускорение, достаточное для ионизации моле­ кул воздуха и образования лавины. Однако если протяженность зоны с напряженностью поля, достаточной для придания электро­ нам необходимого ускорения, будет небольшой, то лавина не ра­ зовьется и разряд не сможет осуществиться. Для возникновения разряда недостаточно, чтобы в какой-то точке напряженность поля

306

ронного разряда существенную роль играет не только абсолютное значение напряженности поля, но и ее градиент. Очевидно, что при больших градиентах напряженности поля на поверхности тела для возникновения разряда требуется более высокая напряженность, чем при малых градиентах.

Напряженность поля вблизи конца эллипсоида должна очень быстро убывать с расстоянием. Конец реального линейного разряд­

Для определения Екр необходимо пользоваться данными Вейкмана [564], В. А. Дячука и В. М. Мучника (рис. 75).

Вейкман [564] на основании лабораторных исследований зави­ симости силы тока от напряженности поля пришел к выводу, что она хорошо описывается формулой, полученной Чепменом [264] для тока коронного разряда с антенны радиозонда для измерения на­ пряженности поля:

ионов; Е — напряженность поля в облаке; ѵ — скорость движения антенны относительно воздуха; £ Кр — критическая напряженность

возникновения коронного разряда; 2а — длина антенны. Для случая выбрасывания тонких нитей можно положить ѵ ~ О, и тогда выра­ жение (140) значительно упростится:

женность поля, которую измерил Каземир в основании единичной грозовой ячейки), то і= 4,68• 10~6 А. Таким образом, достаточно сбросить в кучево-дождевое облако ІО6 нитей, чтобы ток коронного разряда достиг 4,7 А, т. е. величины, сопоставимой с током, генери­ руемым грозой. Так как 1 кг мякины содержит до 5- ІО6 нитей, то достаточно сбросить в облако всего несколько килограммов, чтобы добиться необходимого эффекта. Таким образом, второе условие также выполняется.

По мнению Каземира и Вейкмана [357], в грозовом облаке су­ ществуют две области, воздействие на которые должно приводить

кнаибольшему эффекту. Первая область находится в верхней части облака между зонами положительных и отрицательных за­ рядов, где напряженность поля в облаке максимальная и где воз­ никают внутриоблачные грозовые разряды. Вторая область воздей­ ствия находится ниже отрицательно заряженной части облака и нижнего положительного заряда, где формируются молнии, идущие

кземле. Однако до получения статистически обоснованных экспе­ риментальных данных нельзя считать, что имеются условия для удовлетворения третьего требования.

Каземир и Вейкман выполнили в 1964 г. пять опытов, во время которых сбрасывалась мякина в грозовые облака и производилось измерение напряженности поля. Техника проведения опытов заклю­ чалась в следующем. С самолета каждые полсекунды сбрасывался пакет, содержавший около 2- ІО6 нитей. Это время соответствовало отрезку пути в 50 м. Обычно в течение одного опыта сбрасывалось 50—60 пакетов. Для установления наиболее выгодного места сбра­ сывания мякины экспериментаторы с самолета, летевшего непо­ средственно под основанием хорошо развитого кучево-дождевого облака, определяли положение, в котором наблюдалась максималь­ ная напряженность поля, превышающая 2 • 104 В/м. После разво­ рота самолета производилось сбрасывание по тому же пути полета. Затем самолет продолжал некоторое время повторять полеты по

той же трассе для оценки результатов воздействий. Каземир и Вейкман считают, что в трех опытах отчетливо проявился поло­ жительный эффект засева (даже тогда, когда гроза находилась в стадии развития). В четвертом случае после засева произошел разряд молнии, и уменьшение напряженности поля могло быть вы­ звано этим разрядом, а не засевом. В пятом опыте засев был про­ изведен в значительной степени под наковальней, вне главного ствола облака, и в этом случае уменьшение поля не наблюдалось.

308