4.4. СХЕМА ФРЕНКЕЛЯ—ШИШКИНА

Я. И. Френкель [186] рассматривает облако как коллоидно-дисперсную среду, в которой капельки благодаря большому сродству воды с отрицательными ионами заряжаются отрицательно, а воздух — положительно. При падении капелек происходит разделение зарядов, и облако поляризуется положительно. Разделение зарядов прекращается при таком значении напряженности вертикального электрического поля, при котором уравновешивается сила тяжести, действующая на капельки. Таким образом,

где масса облачной капельки (r - радиус),

ускорение силы тяжести и, согласно (55), равновесный заряд если принять

При получаем, что для устойчивого облака Так как при этом не вносятся какие-либо предварительные условия, то отсюда следует, что в любых облаках, из которых не выпадает дождь, напряженность поля должна быть много больше напряженности, имеющей место в действительности. Для того чтобы согласовать свои представления с данными наблюдений, Френкель указывает на необходимость учитывать проводимость воздуха. Как известно, чем больше проводимость, тем меньше напряженность поля. Поэтому в слоистых облаках проводимость должна быть больше, чем в грозовых, тогда как из данных наблюдений вытекает обратное соотношение. Необходимо также отметить, что экспериментальные исследования адсорбции ионов не дают однозначного ответа относительно избирательного заряжения капель воды в среде ионов (см. раздел 3.1.2).

Дальнейшее развитие эта теория получила в работах Френкеля и Н. С. Шишкина [187], которые учли влияние коагуляции капель на рост напряженности электрического поля. Если при падении капля коагулирует с монодисперсными облачными капельками, имеющими заряды одинакового знака, то ее заряд будет увеличиваться пропорционально кубу радиуса. Благодаря этому увеличится скорость разделения зарядов и образования заряженных областей. Затем Шишкин [200] произвел подобные расчеты для полидисперсного облака. Френкель и Шишкин отмечают, что для полного решения вопроса следовало бы учесть эффект перезарядки капель в электрическом поле, что, однако, выполнено не было. Оценки изменения заряда капель дождя при падении в электрическом поле были сделаны, например, Уипплом и Чалмерсом [567], Н. В. Красногорской [91].

Так как, по Френкелю и Шишкину, коагуляционный рост зарядов капель происходит в конечном итоге за счет заряжения облачных капелек зарядами ионов, то в этом проявляется ограничивающее условие, указанное Уормелем [588]. Этот вопрос весьма полно рассмотрен Л. С. Мордовиной [118]. Таким образом, несмотря на то что Френкель и Шишкин значительно дальше пошли в развитии теории захвата ионов каплями по сравнению с Вильсоном, объяснение образования грозового электричества не было получено, хотя несомненно, что процессы захвата ионов частицами имеют место в грозовых облаках. К такому выводу пришел Шишкин [203] на основании вычислений, в которых учитывались также ионообразование и рекомбинация ионов. В поисках дополнительных источников образования ионов Шишкин [203] указал на механизм ионообразования, обусловленный коронным разрядом между двумя заряженными каплями. Он считает, что этот механизм должен приводить к значительному увеличению скорости образования ионов —

до пар ионов Вследствие этого должно наблюдаться быстрое увеличение зарядов облачных капелек, удельный заряд облачной воды может достигнуть Коагуляция таких капелек может привести к возрастанию напряженности поля до пробивных значений.

Возможность существования такого механизма ионообразования в грозовых облаках вызывает большие сомнения, кроме того, он должен был бы проявляться и в слоистых облаках, хотя и в меньшей степени. Следовательно, проводимость в слоистых облаках должна бы быть выше, чем в свободной атмосфере на том же уровне, а это не наблюдается. Вместе с тем можно указать на такой мощный механизм ионообразования, как коронирование с концов ледяных кристаллов, которое, по-видимому, имеет место в грозовых облаках. Необходимо, однако, отметить, что с увеличением проводимости, помимо увеличения скорости адсорбции ионов, заряды частиц должны уменьшаться за счет токов проводимости.